Zagrijavanje atmosferskog zraka. §33. Zagrijavanje zraka i njegova temperatura Što određuje zagrijavanje zraka
- uređaji koji se koriste za zagrijavanje zraka u dovodnim ventilacijskim sustavima, sustavima klimatizacije, grijanja zraka, kao i u instalacijama za sušenje.
Prema vrsti rashladnog sredstva, grijači mogu biti vatreni, vodeni, parni i električni. .
Trenutno su najrasprostranjeniji grijači vode i pare, koji se dijele na glatke i rebraste; potonji se, pak, dijele na lamelarne i spiralno namotane.
Razlikovati jednoprolazne i višeprolazne grijače. U jednom prolazu rashladna tekućina se kreće kroz cijevi u jednom smjeru, a u višeprolaznoj nekoliko puta mijenja smjer kretanja zbog prisutnosti pregrada u poklopcima kolektora (slika XII.1).
Grijači izvode dva modela: srednji (C) i veliki (B).
Potrošnja topline za zagrijavanje zraka određena je formulama:
 |
gdje Q"— potrošnja topline za grijanje zraka, kJ/h (kcal/h); P- isto, W; 0,278 je faktor pretvorbe iz kJ/h u W; G- masena količina zagrijanog zraka, kg / h, jednaka Lp [ovdje L- volumetrijska količina zagrijanog zraka, m 3 / h; p je gustoća zraka (na temperaturi tK), kg / m 3]; S- specifični toplinski kapacitet zraka, jednak 1 kJ / (kg-K); t k - temperatura zraka nakon grijača, ° C; t n— temperatura zraka prije grijača zraka, °C.
Za grijače prvog stupnja grijanja temperatura tn jednaka je temperaturi vanjskog zraka.
Pri projektiranju opće ventilacije namijenjene suzbijanju viška vlage, topline i plinova, čija je MPC veća od 100 mg/m3, pretpostavlja se da je vanjska temperatura zraka jednaka izračunatoj temperaturi ventilacije (klimatski parametri kategorije A). Prilikom projektiranja opće ventilacije namijenjene suzbijanju plinova čiji je MPC manji od 100 mg/m3, kao i pri projektiranju dovodne ventilacije za kompenzaciju zraka koji se uklanja kroz lokalne ispuh, procesne nape ili pneumatske transportne sustave, pretpostavlja se da je vanjska temperatura zraka jednaka na izračunatu vanjsku temperaturu tn za projekt grijanja (klimatski parametri kategorija B).
U prostoriju bez viškova topline potrebno je dovoditi dovodni zrak temperature jednake temperaturi unutarnjeg zraka tV za ovu prostoriju. U prisutnosti viška topline, dovodni zrak se dovodi na sniženoj temperaturi (za 5-8 ° C). Dovodni zrak s temperaturom nižom od 10°C ne preporuča se dovoditi u prostoriju čak i ako postoji značajna emisija topline zbog mogućnosti prehlade. Iznimka je uporaba posebnih anemostata.
Potrebna površina grijača Fk m2 određena je formulom:
gdje P— potrošnja topline za grijanje zraka, W (kcal/h); DO- koeficijent prijenosa topline grijača, W / (m 2 -K) [kcal / (h-m 2 - ° C)]; t usp.T. — Prosječna temperatura rashladna tekućina, 0 S; t r.v. je prosječna temperatura zagrijanog zraka koji prolazi kroz grijač, °C, jednaka (t n + t c)/2.
Ako je rashladna tekućina para, tada je prosječna temperatura rashladne tekućine tav.T. jednaka je temperaturi zasićenja pri odgovarajućem tlaku pare.
Za temperaturu vode tav.T. definira se kao aritmetička sredina temperatura tople i povratne vode:
Faktor sigurnosti 1.1-1.2 uzima u obzir gubitak topline za hlađenje zraka u zračnim kanalima.
Koeficijent prijenosa topline grijača K ovisi o vrsti rashladne tekućine, masnoj brzini kretanja zraka vp kroz grijač, geometrijskim dimenzijama i značajkama dizajna grijača, brzini kretanja vode kroz cijevi grijača.
Pod masnom brzinom podrazumijeva se masa zraka, kg, koja prođe kroz 1 m2 živog dijela grijača zraka za 1 s. Masena brzina vp, kg/(cm2), određena je formulom
Prema površini otvorenog dijela fŽ i grijaće površine FK odabire se model, marka i broj grijača. Nakon odabira grijača, masena brzina zraka određuje se prema stvarnoj površini otvorenog dijela grijača fD ovog modela:
gdje je A, A 1 , n, n 1 i T- koeficijenti i eksponenti, ovisno o izvedbi grijača
Brzina kretanja vode u cijevima grijača ω, m/s, određena je formulom:
gdje je Q" potrošnja topline za zagrijavanje zraka, kJ/h (kcal/h); rp je gustoća vode, jednaka 1000 kg/m3, sv je specifična toplina vode, jednaka 4,19 kJ/(kg- K); fTP - otvoreno područje za prolaz rashladne tekućine, m2, tg - temperatura Vruća voda u dovodnoj liniji, ° C; t 0 - temperatura povratne vode, 0S.
Na prijenos topline grijača utječe shema njihovog vezanja cjevovodima. Uz paralelnu shemu za spajanje cjevovoda, samo dio rashladne tekućine prolazi kroz zasebni grijač, a s sekvencijalnom shemom cijeli tok rashladne tekućine prolazi kroz svaki grijač.
Otpor grijača na prolaz zraka p, Pa, izražava se sljedećom formulom:
gdje su B i z koeficijent i eksponent, koji ovise o izvedbi grijača.
Otpor grijača smještenih u seriji jednak je:
gdje je m broj uzastopno smještenih grijača. Proračun završava provjerom toplinskog učinka (prijenosa topline) grijača prema formuli
gdje je QK - prijenos topline grijača, W (kcal / h); QK - isto, kJ/h, 3,6 - faktor pretvorbe W u kJ/h FK - površina grijanja grijača, m2, uzeta kao rezultat proračuna grijača ove vrste; K - koeficijent prolaza topline grijača, W/(m2-K) [kcal/(h-m2-°C)]; tav.v - prosječna temperatura zagrijanog zraka koji prolazi kroz grijač, °C; tav. T je prosječna temperatura rashladne tekućine, °C.
Prilikom odabira grijača, margina za procijenjenu površinu grijanja uzima se u rasponu od 15 - 20%, za otpor prolazu zraka - 10% i za otpor kretanja vode - 20%.
Kada je sunce najtoplije – kada je više iznad ili niže?
Sunce više grije kad je više. Sunčeve zrake u ovom slučaju padaju pod pravim, ili blizu pravog kuta.
Koje vrste rotacije Zemlje poznajete?
Zemlja se okreće oko svoje osi i oko Sunca.
Zašto se na Zemlji odvija ciklus dana i noći?
Promjena dana i noći rezultat je aksijalne rotacije Zemlje.
Odredite kako se kut upada sunčevih zraka razlikuje 22. lipnja i 22. prosinca na paralelama od 23,5 ° N. sh. i yu. sh.; na paralelama 66,5° N. sh. i yu. sh.
Dana 22. lipnja kut upada sunčevih zraka na paraleli od 23,50 N.L. 900 S - 430. Na paraleli 66,50 N.S. – 470, 66,50 S - klizni kut.
Dana 22. prosinca kut upada sunčevih zraka na paraleli 23,50 N.L. 430 S - 900. Na paraleli 66,50 N.S. - klizni kut, 66,50 S - 470.
Razmislite zašto najtopliji i najhladniji mjeseci nisu lipanj i prosinac, kada sunčeve zrake imaju najveći i najmanji kut upada na zemljinu površinu.
Atmosferski zrak se zagrijava od Zemljina površina. Stoga se u lipnju zemljina površina zagrijava, a temperatura doseže maksimum u srpnju. Događa se i zimi. U prosincu se zemljina površina hladi. Zrak se hladi u siječnju.
Definirati:
prosječna dnevna temperatura prema četiri mjerenja dnevno: -8°C, -4°C, +3°C, +1°C.
Prosječna dnevna temperatura je -20C.
prosječna godišnja temperatura Moskve koristeći podatke tablice.
Prosječna godišnja temperatura je 50C.
Odredite dnevni raspon temperature za očitanja termometra na slici 110, c.
Temperaturna amplituda na slici je 180C.
Odredite za koliko stupnjeva je godišnja amplituda u Krasnojarsku veća nego u Sankt Peterburgu, ako je prosječna temperatura u srpnju u Krasnojarsku +19°S, au siječnju -17°S; u St. Petersburgu +18°C odnosno -8°C.
Raspon temperature u Krasnojarsku je 360S.
Temperaturna amplituda u Sankt Peterburgu je 260S.
Temperaturna amplituda u Krasnojarsku je 100C viša.
Pitanja i zadaci
1. Kako se zagrijava zrak u atmosferi?
Kada sunčeve zrake prolaze, atmosfera od njih se gotovo ne zagrijava. Kako se zemljana površina zagrijava, ona sama postaje izvor topline. Iz njega se zagrijava atmosferski zrak.
2. Za koliko stupnjeva se temperatura u troposferi smanji za svakih 100 m uspona?
Kako se penjete, svakim kilometrom temperatura zraka pada za 6 0C. Dakle, 0,60 na svakih 100 m.
3. Izračunajte temperaturu zraka izvan zrakoplova, ako je visina leta 7 km, a temperatura na površini Zemlje +200C.
Temperatura pri penjanju od 7 km će pasti za 420. To znači da će temperatura izvan zrakoplova biti -220.
4. Je li moguće susresti ledenjak u planinama na visini od 2500 m ljeti ako je temperatura u podnožju planina + 250C.
Temperatura na visini od 2500 m bit će +100C. Ledenjak na visini od 2500 m se neće sresti.
5. Kako i zašto se mijenja temperatura zraka tijekom dana?
Sunčeve zrake tijekom dana osvjetljavaju površinu zemlje i zagrijavaju je, a od nje se zagrijava zrak. Noću se protok sunčeve energije zaustavlja, a površina se zajedno sa zrakom postupno hladi. Sunce je u podne najviše iznad horizonta. Ovo je vrijeme kada dolazi najviše sunčeve energije. Međutim, najviša temperatura se opaža nakon 2-3 sata poslije podneva, budući da je potrebno vrijeme da se toplina prenese sa Zemljine površine u troposferu. Najniža temperatura je prije izlaska sunca.
6. Što određuje razliku u zagrijavanju Zemljine površine tijekom godine?
Tijekom godine, na istom području, sunčeve zrake padaju na površinu na različite načine. Kad je kut upada zraka strmiji, površina prima više sunčeve energije, temperatura zraka raste i dolazi ljeto. Kada su sunčeve zrake više nagnute, površina se lagano zagrijava. Temperatura zraka u to vrijeme pada i dolazi zima. Najtopliji mjesec na sjevernoj hemisferi je srpanj, a najhladniji mjesec siječanj. V Južna polutka- obrnuto: najhladniji mjesec u godini je srpanj, a najtopliji siječanj.
Oni prolaze kroz prozirnu atmosferu ne zagrijavajući je, dopiru do površine zemlje, zagrijavaju je, a iz nje se naknadno zagrijava zrak.
Stupanj zagrijavanja površine, a time i zraka, ovisi prvenstveno o geografskoj širini područja.
Ali u svakoj određenoj točki, on (t o) će također biti određen brojnim čimbenicima, među kojima su glavni:
A: visina iznad razine mora;
B: podloga;
B: udaljenost od obala oceana i mora.
A - Budući da se zrak zagrijava sa zemljine površine, što su apsolutne visine područja niže, to je temperatura zraka viša (na istoj geografskoj širini). U uvjetima zraka nezasićenog vodenom parom, uočava se obrazac: za svakih 100 metara nadmorske visine temperatura (t o) se smanjuje za 0,6 o C.
B - Kvalitativne karakteristike površine.
B 1 - površine različite boje i strukture na različite načine upijaju i reflektiraju sunčeve zrake. Maksimalna refleksivnost tipična je za snijeg i led, a minimalna za tamno obojena tla i stijene.
Osvjetljenje Zemlje sunčevim zrakama u dane solsticija i ekvinocija.
B 2 - različite površine imaju različit toplinski kapacitet i prijenos topline. Tako se vodena masa Svjetskog oceana, koja zauzima 2/3 Zemljine površine, zbog velikog toplinskog kapaciteta zagrijava vrlo sporo i vrlo sporo hladi. Zemljište se brzo zagrijava i brzo hladi, tj. da bi se zagrijalo na isti t oko 1 m 2 kopna i 1 m 2 površine vode potrebno je utrošiti različitu količinu energije.
B - od obala do unutrašnjosti kontinenata smanjuje se količina vodene pare u zraku. Što je atmosfera prozirnija, to je manje sunčeve svjetlosti raspršeno u njoj, a sve sunčeve zrake dopiru do površine Zemlje. U prisutnosti veliki broj vodena para u zraku, vodene kapljice reflektiraju, raspršuju se, upijaju sunčeve zrake i ne dopiru sve do površine planeta, dok se zagrijavanjem smanjuje.
Najviše temperature zraka zabilježene su u regijama tropske pustinje. U središnjim dijelovima Sahare, gotovo 4 mjeseca, temperatura zraka u sjeni iznosi više od 40 °C. Istovremeno, na ekvatoru, gdje je kut upada sunčevih zraka najveći, temperatura ne prelazi +26 ° C.
S druge strane, Zemlja, kao zagrijano tijelo, zrači energiju u svemir uglavnom u dugovalnoj duljini. infracrveni spektar. Ako je zemljina površina omotana "pokrivom" oblaka, tada sve infracrvene zrake ne napuštaju planet, budući da ih oblaci odgađaju, reflektirajući se natrag na površinu zemlje.
Uz vedro nebo, kada je u atmosferi malo vodene pare, infracrvene zrake koje emitira planet slobodno odlaze u svemir, dok se površina zemlje hladi, koja se hladi i time smanjuje temperaturu zraka.
Književnost
- Zubashchenko E.M. Regionalni fizička geografija. Klima Zemlje: nastavno pomagalo. Dio 1. / E.M. Zubaščenko, V.I. Šmikov, A.Ya. Nemykin, N.V. Polyakov. - Voronjež: VGPU, 2007. - 183 str.
Istraživanja provedena na prijelazu iz 1940-ih u 1950-e omogućila su razvoj niza aerodinamičkih i tehnoloških rješenja koja osiguravaju sigurno prevladavanje zvučne barijere čak i kod proizvodnih zrakoplova. Tada se činilo da osvajanje zvučne barijere stvara neograničene mogućnosti za daljnje povećanje brzine leta. U samo nekoliko godina letjelo je oko 30 tipova nadzvučnih zrakoplova, od kojih je značajan broj pušten u masovnu proizvodnju.
Raznolikost korištenih rješenja dovela je do toga da su mnogi problemi povezani s letovima pri velikim nadzvučnim brzinama sveobuhvatno proučeni i riješeni. Međutim, pojavili su se novi problemi, puno složeniji od zvučne barijere. Oni su uzrokovani zagrijavanjem strukture. zrakoplov kada leti velikom brzinom u gustim slojevima atmosfere. Ova nova prepreka nekoć se zvala toplinska barijera. Za razliku od zvučne barijere, novu se barijeru ne može okarakterizirati konstantom sličnom brzini zvuka, jer ovisi i o parametrima leta (brzina i visina) i o dizajnu okvira zrakoplova (korištena konstruktivna rješenja i materijali), te o oprema zrakoplova (klimatizacija, rashladni sustavi itd.). P.). Dakle, koncept "toplinske barijere" uključuje ne samo problem opasnog zagrijavanja konstrukcije, već i pitanja kao što su prijenos topline, svojstva čvrstoće materijala, principi projektiranja, klimatizacija itd.
Zagrijavanje zrakoplova u letu događa se uglavnom iz dva razloga: zbog aerodinamičkog kočenja strujanja zraka i zbog stvaranja topline pogonskog sustava. Oba ova fenomena čine proces interakcije između medija (zrak, ispušni plinovi) i aerodinamičnog čvrstog tijela (zrakoplov, motor). Drugi fenomen je tipičan za sve zrakoplove, a povezan je s povećanjem temperature konstrukcijskih elemenata motora koji primaju toplinu iz zraka komprimiranog u kompresoru, kao i od produkata izgaranja u komori i ispušnoj cijevi. Pri letenju velikim brzinama dolazi do unutarnjeg zagrijavanja zrakoplova i zbog usporavanja zraka u zračnom kanalu ispred kompresora. Prilikom letenja malim brzinama, zrak koji prolazi kroz motor ima relativno niska temperatura, zbog čega ne dolazi do opasnog zagrijavanja strukturnih elemenata okvira zrakoplova. Pri velikim brzinama leta zagrijavanje konstrukcije zrakoplova od vrućih elemenata motora ograničeno je dodatnim hlađenjem niskotemperaturnim zrakom. Obično se koristi zrak koji se uklanja iz usisnika zraka pomoću vodilice koja odvaja granični sloj, kao i zrak zahvaćen iz atmosfere pomoću dodatnih usisnika koji se nalaze na površini gondole motora. Kod motora s dva kruga za hlađenje se koristi i zrak iz vanjskog (hladnog) kruga.
Dakle, razina toplinske barijere za nadzvučne zrakoplove određena je vanjskim aerodinamičkim zagrijavanjem. Intenzitet zagrijavanja površine koju strujanje zraka struji ovisi o brzini leta. Pri malim brzinama ovo zagrijavanje je toliko neznatno da se povećanje temperature može zanemariti. Pri velikoj brzini strujanje zraka ima veliku kinetičku energiju, pa stoga povećanje temperature može biti značajno. To vrijedi i za temperaturu unutar zrakoplova, budući da brzi tok, stagnira u usisniku zraka i komprimiran u kompresoru motora, postaje toliko visok da ne može odvoditi toplinu iz vrućih dijelova motora.
Povećanje temperature kože zrakoplova kao posljedica aerodinamičkog zagrijavanja uzrokovano je viskoznošću zraka koji struji oko zrakoplova, kao i njegovom kompresijom na prednjim površinama. Zbog gubitka brzine česticama zraka u graničnom sloju kao rezultat viskoznog trenja, povećava se temperatura cijele aerodinamične površine zrakoplova. Kao rezultat kompresije zraka, temperatura raste, međutim, samo lokalno (uglavnom nos trupa, vjetrobransko staklo kokpita, a posebno prednji rubovi krila i perja), ali češće doseže vrijednosti koje su nesigurno za strukturu. U tom slučaju na nekim mjestima dolazi do gotovo izravnog sudara strujanja zraka s podlogom i potpunog dinamičkog kočenja. Sukladno principu očuvanja energije sva kinetička energija strujanja pretvara se u toplinsku i tlačnu energiju. Odgovarajući porast temperature izravno je proporcionalan kvadratu brzine protoka prije kočenja (ili, bez vjetra, kvadratu brzine zrakoplova) i obrnuto proporcionalan visini leta.
Teoretski, ako je strujanje stabilno, vrijeme je mirno i bez oblaka, te nema prijenosa topline zračenjem, tada toplina ne prodire u strukturu, a temperatura kože je bliska tzv. adijabatskoj stagnacijskoj temperaturi. Njegova ovisnost o Machovom broju (brzina i visina leta) data je u tablici. 4.
U stvarnim uvjetima, povećanje temperature kože zrakoplova od aerodinamičkog zagrijavanja, odnosno razlika između temperature stagnacije i temperature okoline, pokazuje se nešto manjim zbog razmjene topline s okolinom (posredstvom zračenja), susjedni strukturni elementi itd. Osim toga, potpuno usporavanje strujanja događa se samo na tzv. kritičnim točkama koje se nalaze na izbočenim dijelovima zrakoplova, a dotok topline na kožu ovisi i o prirodi graničnog sloja zraka. (intenzivnije je za turbulentni granični sloj). Značajno smanjenje temperature također se događa prilikom letenja kroz oblake, posebno kada sadrže prehlađene vodene kapi i kristale leda. Za takve uvjete leta pretpostavlja se da smanjenje temperature kože na kritičnoj točki u usporedbi s teoretskom temperaturom stagnacije može doseći čak 20-40%.
Tablica 4. Ovisnost temperature kože o Machovom broju
Ipak, ukupno zagrijavanje zrakoplova u letu pri nadzvučnim brzinama (posebno na maloj visini) ponekad je toliko veliko da povećanje temperature pojedinih elemenata okvira i opreme dovodi ili do njihovog uništenja, ili, barem, do potrebno je promijeniti način leta. Na primjer, tijekom proučavanja zrakoplova XB-70A u letovima na visinama većim od 21.000 m pri brzini od M = 3, temperatura prednjih rubova usisnika zraka i prednjih rubova krila bila je 580-605 K , a ostatak kože iznosio je 470-500 K. Posljedice povećanja temperature konstrukcijskih elemenata zrakoplova Tako visoke vrijednosti mogu se u potpunosti procijeniti ako se uzme u obzir činjenica da se već na temperaturama od oko 370 K organsko staklo, koji se naširoko koristi za ostakljenje kabina, omekšava, gorivo ključa, a obično ljepilo gubi snagu. Na 400 K čvrstoća duraluminija se značajno smanjuje, na 500 K dolazi do kemijske razgradnje radnog fluida u hidrauličkom sustavu i uništavanja brtvi, na 800 K legure titana gube potrebna mehanička svojstva, na temperaturama iznad 900 K, aluminij i magnezij se tope, a čelik omekšava. Povećanje temperature dovodi i do razaranja premaza, od kojih se eloksiranje i kromiranje mogu koristiti do 570 K, niklanje do 650 K, a posrebrenje do 720 K.
Nakon pojave ove nove prepreke u povećanju brzine leta, počela su istraživanja otklanjanja ili ublažavanja njezinih posljedica. Načini zaštite zrakoplova od učinaka aerodinamičkog zagrijavanja određeni su čimbenicima koji sprječavaju porast temperature. Osim visine leta i atmosferskih uvjeta, na stupanj zagrijavanja zrakoplova značajno utječu:
je koeficijent toplinske vodljivosti materijala omotača;
- veličina površine (osobito prednje) zrakoplova; -vrijeme za let.
Iz toga slijedi da su najjednostavniji načini smanjenja zagrijavanja konstrukcije povećanje visine leta i ograničenje njegovog trajanja na minimum. Ove metode korištene su u prvim nadzvučnim zrakoplovima (osobito eksperimentalnim). Zbog prilično visoke toplinske vodljivosti i toplinskog kapaciteta materijala koji se koriste za izradu toplinski opterećenih konstrukcijskih elemenata zrakoplova, od trenutka kada zrakoplov postigne veliku brzinu do trenutka kada se pojedini konstrukcijski elementi zagrije na projektnu temperaturu zrakoplova kritične točke, obično traje dosta vremena. veliko vrijeme. U letovima koji traju nekoliko minuta (čak i na malim visinama) ne postižu se destruktivne temperature. Let na velikim visinama odvija se u uvjetima niske temperature (oko 250 K) i niske gustoće zraka. Zbog toga je količina topline koju odaje strujanje na površine zrakoplova mala, a izmjena topline traje dulje, što uvelike ublažava težinu problema. Sličan rezultat dobiva se ograničavanjem brzine zrakoplova na malim visinama. Na primjer, tijekom leta iznad tla brzinom od 1600 km/h, čvrstoća duraluminija se smanjuje za samo 2%, a povećanje brzine na 2400 km/h dovodi do smanjenja njegove čvrstoće do 75% u odnosu na početnu vrijednost.
Riža. 1.14. Raspodjela temperature u zračnom kanalu i u motoru zrakoplova Concord tijekom leta s M = 2,2 (a) i temperatura kože zrakoplova XB-70A tijekom leta pri konstantnoj brzini od 3200 km/h (b).
Međutim, potreba za osiguranjem sigurnih uvjeta rada u cijelom rasponu korištenih brzina i visina leta tjera dizajnere da traže odgovarajuća tehnička sredstva. Budući da zagrijavanje konstrukcijskih elemenata zrakoplova uzrokuje smanjenje mehaničkih svojstava materijala, pojavu toplinskih naprezanja na konstrukciji, kao i pogoršanje radnih uvjeta posade i opreme, takva tehnička sredstva koja se koriste u dosadašnjoj praksi mogu se podijeliti. u tri grupe. Uključuju korištenje 1) materijala otpornih na toplinu, 2) dizajnerska rješenja koja osiguravaju potrebnu toplinsku izolaciju i dopuštenu deformaciju dijelova, i 3) rashladne sustave za kokpit i odjeljke opreme.
U zrakoplovima s maksimalnom brzinom od M = 2,0-1-2,2 široko se koriste aluminijske legure (duralumin) koje se odlikuju relativno visokom čvrstoćom, malom gustoćom i zadržavanjem svojstava čvrstoće uz blagi porast temperature. Durali se obično nadopunjuju čelikom ili legurama titana, od kojih se izrađuju dijelovi okvira zrakoplova koji su podvrgnuti najvećim mehaničkim ili toplinskim opterećenjima. Titanijeve legure korištene su već u prvoj polovici 50-ih, isprva u vrlo maloj mjeri (sada detalji iz njih mogu iznositi i do 30% težine okvira zrakoplova). U eksperimentalnim zrakoplovima s M ~ 3, postaje potrebno koristiti čelične legure otporne na toplinu kao glavni konstrukcijski materijal. Takvi čelici zadržavaju dobra mehanička svojstva pri visokim temperaturama tipičnim za letove pri hipersoničnim brzinama, ali su im nedostaci visoka cijena i velika gustoća. Ovi nedostaci u određenom smislu ograničavaju razvoj brzih zrakoplova, pa se istražuju i drugi materijali.
Sedamdesetih godina prošlog stoljeća napravljeni su prvi eksperimenti na korištenju berilija u konstrukciji zrakoplova, kao i kompozitnih materijala na bazi bora ili ugljičnih vlakana. Ovi materijali i dalje imaju visoku cijenu, ali istodobno ih karakterizira niska gustoća, visoka čvrstoća i krutost, kao i značajna otpornost na toplinu. Primjeri specifične primjene ovih materijala u konstrukciji okvira zrakoplova dati su u opisima pojedinih zrakoplova.
Drugi čimbenik koji značajno utječe na performanse zagrijane konstrukcije zrakoplova je učinak tzv. toplinskih naprezanja. Nastaju kao posljedica temperaturnih razlika između vanjske i unutarnje površine elemenata, a posebno između kože i unutarnjih strukturnih elemenata zrakoplova. Površinsko zagrijavanje okvira zrakoplova dovodi do deformacije njegovih elemenata. Na primjer, može doći do iskrivljenja kože krila na takav način da će dovesti do promjene aerodinamičkih karakteristika. Stoga mnogi zrakoplovi koriste lemljenu (ponekad zalijepljenu) višeslojnu oblogu, koju karakterizira visoka krutost i dobra izolacijska svojstva, ili se koriste unutarnji strukturni elementi s odgovarajućim dilatacijskim spojevima (na primjer, u zrakoplovu F-105 izrađuju se pregrade od valovitog lima). Poznati su i pokusi za hlađenje krila gorivom (primjerice, u zrakoplovu X-15) koje teče ispod kože na putu od spremnika do mlaznica komore za izgaranje. Međutim, pri visokim temperaturama gorivo se obično koksa, pa se takvi pokusi mogu smatrati neuspjelim.
Trenutno se istražuju različite metode, među kojima je nanošenje izolacijskog sloja od vatrostalnih materijala plazma raspršivanjem. Druge metode koje se smatraju obećavajućim nisu našle primjenu. Između ostalog, predloženo je korištenje "zaštitnog sloja" koji nastaje upuhivanjem plina na kožu, "znojenjem" hlađenjem dovodom tekućine na površinu kroz poroznu kožu s visoka temperatura isparavanje, kao i hlađenje nastalo otapanjem i uvlačenjem dijela kože (ablativni materijali).
Prilično specifična i ujedno vrlo važna zadaća je održavanje odgovarajuće temperature u kokpitu i u odjeljcima opreme (osobito elektroničke), kao i temperature goriva i hidrauličkog sustava. Trenutno se ovaj problem rješava korištenjem visokoučinkovitih sustava klimatizacije, hlađenja i hlađenja, učinkovitom toplinskom izolacijom, korištenjem hidrauličnih tekućina s visokom temperaturom isparavanja itd.
Problemi povezani s toplinskom barijerom moraju se riješiti na sveobuhvatan način. Svaki napredak u ovom području gura barijeru za ovaj tip zrakoplova prema većim brzinama leta, ne isključujući ga kao takvog. Međutim, želja za još većim brzinama dovodi do stvaranja još složenijih struktura i opreme koja zahtijeva korištenje kvalitetnijih materijala. To ima zamjetan učinak na težinu, nabavnu cijenu i troškove upravljanja i održavanja zrakoplova.
Sa stola. 2 od ovih borbenih zrakoplova pokazuje da se u većini slučajeva maksimalna brzina od 2200-2600 km/h smatra racionalnom. Samo se u nekim slučajevima vjeruje da bi brzina zrakoplova trebala biti veća od M ~ 3. Zrakoplovi sposobni razviti takve brzine uključuju eksperimentalne strojeve X-2, XB-70A i T. 188, izviđački SR-71 i E -266 zrakoplova.
1* Hlađenje je prisilni prijenos topline iz hladnog izvora u okruženje visoke temperature uz umjetno suprotstavljanje prirodnom smjeru kretanja topline (s toplog tijela na hladno kada se odvija proces hlađenja). Najjednostavniji hladnjak je hladnjak za kućanstvo.
Aerodinamičko grijanje zagrijavanje tijela koja se kreću velikom brzinom u zraku ili drugom plinu. A. n. - rezultat činjenice da se molekule zraka koje upadaju na tijelo usporavaju u blizini tijela. Ako se let odvija nadzvučnom brzinom kultura, kočenje se prvenstveno događa u udarnom valu (vidi udarni val) ,
koji se javljaju ispred tijela. Daljnje usporavanje molekula zraka događa se izravno na samoj površini tijela, u
granični sloj (Vidi granični sloj). Pri usporavanju molekula zraka, njihova Termalna energija raste, tj. temperatura plina blizu površine tijela koje se kreće raste Maksimalna temperatura, na koji se plin može zagrijati u blizini tijela koje se kreće, blizu je tzv. temperatura kočenja: T 0 = T n + v 2 /2c p ,
gdje T n - temperatura ulaznog zraka, v- brzina leta tijela k.č - određena toplina plin pod konstantnim tlakom. Tako, na primjer, kada letite nadzvučnim zrakoplovom tri puta većom brzinom zvuka (oko 1 km/sek) temperatura stagnacije je oko 400°C, a kada letjelica uđe u Zemljinu atmosferu s 1. kozmičkom brzinom (8.1 km/s) temperatura stagnacije doseže 8000 °C. Ako u prvom slučaju, tijekom dovoljno dugog leta, temperatura omotača zrakoplova dosegne vrijednosti bliske stagnacijskoj temperaturi, onda će u drugom slučaju površina letjelice neizbježno početi urušavati zbog nemogućnosti materijala koji mogu izdržati tako visoke temperature. Toplina se prenosi s područja plina s povišenom temperaturom na tijelo koje se kreće i dolazi do aerodinamičkog zagrijavanja. Postoje dva oblika A. n. - konvektivno i zračenje. Konvektivno zagrijavanje posljedica je prijenosa topline s vanjskog, "vrućeg" dijela graničnog sloja na površinu tijela. Kvantitativno, konvektivni toplinski tok se određuje iz omjera q k = a(T e -T w), gdje T e - ravnotežna temperatura (granična temperatura do koje bi se površina tijela mogla zagrijati da nije bilo uklanjanja energije), T w - stvarna temperatura površine, a- koeficijent konvektivnog prijenosa topline, ovisno o brzini i visini leta, obliku i veličini tijela, kao i drugim čimbenicima. Temperatura ravnoteže je bliska stagnacionoj temperaturi. Vrsta ovisnosti koeficijenta a od navedenih parametara određen je režimom strujanja u graničnom sloju (laminarno ili turbulentno). U slučaju turbulentnog strujanja, konvektivno zagrijavanje postaje intenzivnije. To je zbog činjenice da, osim molekularne toplinske vodljivosti, turbulentne fluktuacije brzine u graničnom sloju počinju igrati značajnu ulogu u prijenosu energije. Kako se brzina leta povećava, temperatura zraka iza udarnog vala i u graničnom sloju raste, što rezultira disocijacijom i ionizacijom.
molekule. Nastali atomi, ioni i elektroni difundiraju u hladnije područje – na površinu tijela. Postoji povratna reakcija (rekombinacija) ,
ide s oslobađanjem topline. To daje dodatni doprinos konvektivnom A. n. Po dostizanju brzine leta od oko 5000 m/s temperatura iza udarnog vala doseže vrijednosti na kojima plin počinje zračiti. Zbog radijacijskog prijenosa energije iz područja s povišenom temperaturom na površinu tijela dolazi do radijacijskog zagrijavanja. U ovom slučaju najveću ulogu ima zračenje u vidljivom i ultraljubičastom području spektra. Kada letite u Zemljinoj atmosferi brzinama ispod prve svemirske brzine (8.1 km/s) radijacijsko grijanje je malo u usporedbi s konvektivnim grijanjem. Pri drugoj prostornoj brzini (11.2 km/s)
njihove vrijednosti postaju bliske, a pri brzinama leta 13-15 km/s i više, što odgovara povratku na Zemlju nakon letova na druge planete, glavni doprinos daje radijacijsko grijanje.
posebno važna uloga A. n. igra kada se letjelice vrate u Zemljinu atmosferu (na primjer, Vostok, Voskhod, Soyuz). Za borbu protiv A. n. letjelice su opremljene posebnim sustavima toplinske zaštite (vidi Toplinska zaštita). Lit.: Osnove prijenosa topline u zrakoplovnoj i raketnoj tehnici, M., 1960.; Dorrens W. Kh., Hipersonični tokovi viskoznog plina, prev. s engleskog, M., 1966.; Zeldovich Ya. B., Raiser Yu. P., Fizika udarnih valova i hidrodinamičkih fenomena visoke temperature, 2. izd., M., 1966. N. A. Anfimov.
Velika sovjetska enciklopedija. - M.: Sovjetska enciklopedija. 1969-1978 .
Pogledajte što je "Aerodinamičko grijanje" u drugim rječnicima:
Zagrijavanje tijela koja se kreću velikom brzinom u zraku ili drugom plinu. A. n. rezultat činjenice da se molekule zraka koje upadaju na tijelo usporavaju u blizini tijela. Ako se let vrši nadzvučnim. brzina, kočenje se događa prvenstveno u šoku ... ... Fizička enciklopedija
Zagrijavanje tijela koje se kreće velikom brzinom u zraku (plinu). Primjetno aerodinamičko zagrijavanje uočava se kada se tijelo kreće nadzvučnom brzinom (na primjer, kada se bojne glave interkontinentalnog balističkih projektila) EdwART... ... ... Morski rječnik
aerodinamičko grijanje- Zagrijavanje površine tijela obloženog plinom, koje se kreće u plinovitom mediju velikom brzinom u prisutnosti konvektivnih, te hipersoničnim brzinama i radijacijskom izmjenom topline s plinovitim medijem u graničnom ili udarnom sloju. [GOST 26883… … Priručnik tehničkog prevoditelja
Povećanje temperature tijela koje se kreće velikom brzinom u zraku ili drugom plinu. Aerodinamičko zagrijavanje rezultat je usporavanja molekula plina u blizini površine tijela. Dakle, kada letjelica uđe u Zemljinu atmosferu brzinom od 7,9 km / s ... ... enciklopedijski rječnik
aerodinamičko grijanje- aerodinaminis įšilimas statusas T sritis Energetika apibrėžtis Kūnų, judančių dujose (ore) dideliu greičiu, paviršiaus įšilimas. atitikmenys: engl. aerodinamičko grijanje vok. aerodynamische Aufheizung, f rus. aerodinamičko grijanje, m pranc.… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas- povećanje temperature tijela koje se kreće velikom brzinom u zraku ili drugom plinu. A. i. rezultat usporavanja molekula plina blizu površine tijela. Dakle, na ulazu u kozmičko. aparata u Zemljinu atmosferu brzinom od 7,9 km/s, brzinom zraka na površini pa ... Prirodna znanost. enciklopedijski rječnik
Aerodinamičko zagrijavanje strukture rakete- Zagrijavanje površine rakete tijekom njenog kretanja u gustim slojevima atmosfere velikom brzinom. A.n. - rezultat činjenice da se molekule zraka koje upadaju na raketu usporavaju u blizini njezina tijela. U tom slučaju dolazi do prijenosa kinetičke energije ... ... Enciklopedija strateških raketnih snaga
Concorde Concorde u zračnoj luci ... Wikipedia