Cosa determina il riscaldamento dell'aria. Sistemi di riscaldamento ad aria. Calcolo preliminare della superficie di riscaldamento dell'ugello

Riscaldamento aerodinamico

riscaldamento di corpi che si muovono ad alta velocità in aria o altro gas. Un. - il risultato del fatto che le molecole d'aria che attaccano il corpo vengono decelerate vicino al corpo.

Se il volo viene eseguito alla velocità supersonica dei raccolti, la frenata avviene principalmente nell'onda d'urto (Vedi Onda d'urto) , apparire davanti al corpo. Un'ulteriore decelerazione delle molecole d'aria avviene direttamente sulla superficie del corpo, in strato limite (vedi Strato limite). Quando le molecole d'aria vengono decelerate, la loro energia termica aumenta, cioè la temperatura del gas vicino alla superficie di un corpo in movimento aumenta la temperatura massima alla quale il gas può riscaldarsi in prossimità del corpo in movimento è vicina alla cosiddetta . temperatura di frenata:

T 0 = T n + v 2 / 2c p,

dove Tn- temperatura dell'aria in ingresso, v- velocità di volo del corpo, c p- calore specifico del gas a pressione costante. Quindi, ad esempio, quando un aereo supersonico sta volando con tre volte la velocità del suono (circa 1 km/sec) la temperatura di decelerazione è di circa 400°C, e quando la navicella entra nell'atmosfera terrestre con la 1° velocità spaziale (8,1 km/sec) la temperatura di ristagno raggiunge gli 8000°C. Se nel primo caso, durante un volo sufficientemente lungo, la temperatura della pelle dell'aeromobile raggiunge valori prossimi alla temperatura di ristagno, nel secondo caso la superficie della navicella inizierà inevitabilmente a collassare a causa dell'incapacità del materiali per resistere a temperature così elevate.

Il calore viene trasferito da aree di gas con una temperatura aumentata a un corpo in movimento, e A. n. Esistono due forme di A. n. - convettivo e radiativo. Il riscaldamento convettivo è una conseguenza del trasferimento di calore dalla parte esterna "calda" dello strato limite alla superficie del corpo. Il flusso di calore convettivo è determinato quantitativamente dal rapporto

qk = a(T e -T w),

dove T e - temperatura di equilibrio (la temperatura limite alla quale la superficie del corpo potrebbe essere riscaldata se non ci fosse la rimozione di energia), T w - temperatura superficiale reale, un- coefficiente trasferimento di calore convettivo, a seconda della velocità e dell'altitudine di volo, della forma e delle dimensioni del corpo, nonché di altri fattori. La temperatura di equilibrio è prossima alla temperatura di ristagno. Tipo di dipendenza dal coefficiente un dai parametri elencati è determinato dal regime di flusso nello strato limite (laminare o turbolento). Nel caso di un flusso turbolento, il riscaldamento convettivo diventa più intenso. Ciò è dovuto al fatto che, oltre alla conduttività termica molecolare, le fluttuazioni turbolente della velocità nello strato limite iniziano a svolgere un ruolo importante nel trasferimento di energia.

Con un aumento della velocità di volo, la temperatura dell'aria dietro l'onda d'urto e nello strato limite aumenta, con conseguente dissociazione e ionizzazione molecole. Gli atomi, gli ioni e gli elettroni risultanti si diffondono in una regione più fredda - sulla superficie del corpo. C'è una reazione inversa (ricombinazione) , andando con il rilascio di calore. Ciò costituisce un ulteriore contributo alla convezione A. n.

Al raggiungimento di una velocità di volo di circa 5000 m / sec la temperatura dietro l'onda d'urto raggiunge i valori ai quali il gas inizia a irradiarsi. A causa del trasferimento radiante di energia dalle aree con temperature elevate alla superficie del corpo, si verifica il riscaldamento per radiazione. In questo caso, il ruolo più importante è svolto dalle radiazioni nelle regioni visibile e ultravioletta dello spettro. Quando si vola nell'atmosfera terrestre a velocità inferiori alla prima velocità cosmica (8,1 km/sec) il riscaldamento per irraggiamento è piccolo rispetto al riscaldamento convettivo. Alla seconda velocità cosmica (11.2 km/sec) i loro valori si avvicinano e a velocità di volo di 13-15 km/sec e più in alto, corrispondente al ritorno sulla Terra dopo voli su altri pianeti, il contributo principale è dato dal riscaldamento per radiazione.

Il ruolo particolarmente importante di A. n. suona quando i veicoli spaziali ritornano nell'atmosfera terrestre (ad esempio, Vostok, Voskhod, Soyuz). Per combattere l'A. n. i veicoli spaziali sono dotati di speciali sistemi di protezione termica (vedi. Protezione termica).

Illuminato .: Nozioni di base sul trasferimento di calore nell'aviazione e nella tecnologia missilistica, M., 1960; Dorrens W.H., Flussi di gas viscosi ipersonici, trad. dall'inglese., M., 1966; Zel'dovich Ya.B., Raizer Yu.P., Fisica delle onde d'urto e fenomeni idrodinamici ad alta temperatura, 2a ed., Mosca, 1966.

N.A. Anfimov.

Grande Enciclopedia Sovietica. - M .: enciclopedia sovietica. 1969-1978 .

Guarda cos'è "Riscaldamento aerodinamico" in altri dizionari:

Riscaldamento di corpi che si muovono ad alta velocità in aria o altro gas. Un. il risultato del fatto che le molecole d'aria che attaccano il corpo vengono decelerate vicino al corpo. Se il volo viene eseguito con suono supersonico. velocità, la frenata avviene principalmente in caso di shock ... ... Enciclopedia fisica

Riscaldamento di un corpo che si muove ad alta velocità in aria (gas). Un notevole riscaldamento aerodinamico si osserva quando un corpo si muove a velocità supersonica (ad esempio, quando le testate di intercontinentali missili balistici) EdwART.…… Dizionario marino

riscaldamento aerodinamico- Riscaldamento della superficie di un corpo in una corrente di gas, che si muove in un mezzo gassoso ad alta velocità in presenza di convezione, ea velocità ipersoniche e scambio termico per irraggiamento con il mezzo gassoso nello strato limite o d'urto. [GOST 26883 ... ... Guida tecnica per traduttori

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riscaldamento aerodinamico- aerodinaminis įšilimas statusas T sritis Energetika apibrėžtis Kūnų, judančių dujose (minerale) dideliu greičiu, paviršiaus įšilimas. attikmenys: angl. riscaldamento aerodinamico vok. aerodynamische Aufheizung, fr. riscaldamento aerodinamico, m pranc.…… Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas- un aumento della temperatura di un corpo che si muove ad alta velocità in aria o altri gas. A. e. il risultato della decelerazione delle molecole di gas vicino alla superficie del corpo. Quindi, all'ingresso del cosmico. veicolo spaziale nell'atmosfera terrestre a una velocità di 7,9 km / s, velocità dell'aria pa in superficie ... Scienze naturali. dizionario enciclopedico

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Concorde Concorde all'aeroporto ... Wikipedia

- dispositivi utilizzati per il riscaldamento dell'aria nei sistemi di ventilazione di mandata, nei sistemi di condizionamento dell'aria, nel riscaldamento dell'aria, nonché negli impianti di essiccazione.

In base al tipo di liquido di raffreddamento, i riscaldatori d'aria possono essere fuoco, acqua, vapore ed elettrici .

I più diffusi attualmente sono gli scaldacqua ea vapore, che si suddividono in tubi lisci e nervati; questi ultimi, a loro volta, si suddividono in lamellari e spiralati.

Viene fatta una distinzione tra riscaldatori a passaggio singolo e multiplo. In un modo, il liquido di raffreddamento si muove attraverso i tubi in una direzione e in più direzioni cambia direzione di movimento più volte a causa della presenza di partizioni nei coperchi del collettore (Fig. XII.1).

I riscaldatori sono di due modelli: medio (C) e grande (B).

Il consumo di calore per il riscaldamento dell'aria è determinato dalle formule:

dove Q "- consumo di calore per il riscaldamento dell'aria, kJ/h (kcal/h); Q- lo stesso, W; 0,278 - fattore di conversione kJ / h in W; G- quantità in massa di aria riscaldata, kg/h, pari a Lp [qui l- quantità volumetrica di aria riscaldata, m 3 / h; p - densità dell'aria (a una temperatura tK), kg/m 3]; insieme a- capacità termica specifica dell'aria, pari a 1 kJ/(kg-K); t a - temperatura dell'aria dopo il riscaldatore, ° С; t n- temperatura dell'aria prima del riscaldatore, ° С.

Per i riscaldatori del primo stadio di riscaldamento, la temperatura tn è uguale alla temperatura dell'aria esterna.

La temperatura dell'aria esterna è considerata uguale alla ventilazione calcolata (parametri climatici della categoria A) quando si progetta una ventilazione generale progettata per combattere l'eccesso di umidità, calore e gas, il cui MPC è superiore a 100 mg / m3. Quando si progetta la ventilazione generale progettata per combattere i gas, la cui concentrazione massima consentita è inferiore a 100 mg / m3, nonché quando si progetta la ventilazione di alimentazione per compensare l'aria rimossa attraverso l'aspirazione locale, cappe di processo o sistemi di trasporto pneumatico, la temperatura dell'aria esterna è considerata uguale alla temperatura esterna calcolata temperatura tn per il progetto di riscaldamento (parametri climatici di categoria B).

L'aria di mandata con una temperatura uguale alla temperatura dell'aria interna tВ per il dato locale dovrebbe essere fornita nella stanza senza eccedenze di calore. In presenza di calore in eccesso, l'aria di mandata viene fornita a temperatura ridotta (di 5-8 °C). Si sconsiglia di immettere aria di mandata con una temperatura inferiore a 10 ° C nella stanza, anche in presenza di una generazione di calore significativa a causa della possibilità di raffreddori. L'eccezione sono i casi di utilizzo di anemostati speciali.

L'area richiesta della superficie di riscaldamento dei riscaldatori ad aria Fк m2 è determinata dalla formula:

dove Q- consumo di calore per il riscaldamento dell'aria, W (kcal/h); A- coefficiente di scambio termico del riscaldatore, W / (m 2 -K) [kcal / (h-m 2 - ° C)]; t significa T.- temperatura media del liquido di raffreddamento, 0 ; t av. - la temperatura media dell'aria riscaldata che passa attraverso il riscaldatore, ° С, pari a (t n + t k) / 2.

Se il vapore funge da vettore di calore, la temperatura media del vettore di calore tav.T. è uguale alla temperatura di saturazione alla corrispondente tensione di vapore.

Per l'acqua, la temperatura tav.T. è definita come la media aritmetica delle temperature dell'acqua calda e di ritorno:

Il fattore di sicurezza 1,1-1,2 tiene conto della dispersione termica per il raffreddamento dell'aria nei condotti dell'aria.

Il coefficiente di scambio termico dei riscaldatori K dipende dal tipo di vettore di calore, dalla velocità di massa del movimento dell'aria vp attraverso il riscaldatore, dalle dimensioni geometriche e dalle caratteristiche di progettazione dei riscaldatori, dalla velocità del movimento dell'acqua attraverso i tubi del riscaldatore.

La velocità di massa è intesa come la massa d'aria, kg, che passa in 1 s attraverso 1 m2 dell'area libera del riscaldatore ad aria. La velocità di massa vp, kg / (cm2), è determinata dalla formula

Il modello, la marca e il numero di riscaldatori sono selezionati in base all'area della sezione trasversale libera fL e alla superficie riscaldante FK. Dopo aver scelto i riscaldatori ad aria, la velocità di massa dell'aria viene specificata in base all'area effettiva dell'area del flusso d'aria del riscaldatore ad aria fD di questo modello:

dove A, A 1, n, n 1 e T- coefficienti ed esponenti, a seconda del progetto del riscaldatore

La velocità del movimento dell'acqua nei tubi del riscaldatore ad aria ω, m / s, è determinata dalla formula:

dove Q" è il consumo di calore per il riscaldamento dell'aria, kJ/h (kcal/h); pw è la densità dell'acqua pari a 1000 kg/m3, sv è la capacità termica specifica dell'acqua pari a 4,19 kJ/(kg- K); fTP è l'area aperta per il passaggio del liquido di raffreddamento, m2, tg - temperatura acqua calda nella linea di alimentazione, ° С; t 0 - temperatura dell'acqua di ritorno, 0С.

Il trasferimento di calore dei riscaldatori ad aria è influenzato dallo schema delle tubazioni. Con un circuito parallelo per il collegamento delle tubazioni, solo una parte del liquido di raffreddamento passa attraverso un riscaldatore separato e, con un circuito sequenziale, l'intero flusso del liquido di raffreddamento passa attraverso ciascun riscaldatore.

La resistenza degli aerotermi al passaggio dell'aria p, Pa, è espressa dalla seguente formula:

dove B e z sono il coefficiente e l'esponente, che dipendono dal progetto del riscaldatore.

La resistenza dei riscaldatori disposti in sequenza è uguale a:

dove m è il numero di riscaldatori disposti in sequenza. Il calcolo termina verificando la potenza termica (trasferimento termico) dei riscaldatori secondo la formula

dove QK - trasferimento di calore dai riscaldatori, W (kcal / h); QK - lo stesso, kJ / h, 3,6 - fattore di conversione di W in kJ / h FK - superficie di riscaldamento dei riscaldatori, m2, presa come risultato del calcolo dei riscaldatori di questo tipo; K - coefficiente di scambio termico dei riscaldatori, W / (m2-K) [kcal / (h-m2- ° C)]; tср.в - temperatura media dell'aria riscaldata che passa attraverso il riscaldatore, ° С; tcr. è la temperatura media del liquido di raffreddamento, ° С.

Quando si selezionano i riscaldatori ad aria, la riserva per l'area calcolata della superficie riscaldante viene presa entro il 15 - 20%, per la resistenza al passaggio dell'aria - 10% e per la resistenza al movimento dell'acqua - 20%.

L'umanità conosce pochi tipi di energia: energia meccanica (cinetica e potenziale), energia interna (termica), energia di campo (gravitazionale, elettromagnetica e nucleare), chimica. Separatamente, vale la pena evidenziare l'energia dell'esplosione, ...

L'energia del vuoto e ancora esistente solo in teoria - energia oscura. In questo articolo, il primo nella rubrica "Tecnica del calore", cercherò in un linguaggio semplice e accessibile, utilizzando un esempio pratico, di parlare della forma di energia più importante nella vita delle persone - circa energia termica e di farla nascere in tempo capacità termica.

Poche parole per comprendere il ruolo dell'ingegneria termica come branca della scienza dell'ottenimento, del trasferimento e dell'utilizzo dell'energia termica. La moderna ingegneria del calore è emersa dalla termodinamica generale, che a sua volta è una delle branche della fisica. La termodinamica è letteralmente "caldo" più "potenza". Quindi, la termodinamica è la scienza di "cambiare la temperatura" di un sistema.

L'impatto sul sistema dall'esterno, in cui cambia la sua energia interna, può essere il risultato del trasferimento di calore. Energia termica, che viene acquisito o perso dal sistema a seguito di tale interazione con l'ambiente, è chiamato la quantità di calore ed è misurato in unità SI in Joule.

Se non sei un ingegnere del riscaldamento e non affronti quotidianamente problemi di ingegneria del calore, di fronte a loro, a volte senza esperienza, è molto difficile capirli rapidamente. È difficile, senza esperienza, immaginare anche la dimensionalità dei valori ricercati della quantità di calore e potenza termica. Quanti Joule di energia sono necessari per riscaldare 1000 metri cubi di aria da una temperatura di -37˚C a + 18˚C?.. Qual è la potenza di una fonte di calore per farlo in 1 ora? domande difficili Oggi non tutti gli ingegneri sono in grado di rispondere "a titolo definitivo". A volte gli specialisti ricordano persino le formule, ma solo pochi possono applicarle nella pratica!

Dopo aver letto questo articolo fino alla fine, puoi facilmente risolvere i reali problemi industriali e domestici associati al riscaldamento e al raffreddamento di vari materiali. Comprendere la natura fisica dei processi di trasferimento del calore e conoscere semplici formule di base sono i principali elementi costitutivi alla base della conoscenza nell'ingegneria del calore!

La quantità di calore in vari processi fisici.

La maggior parte delle sostanze conosciute può con diverse temperature e pressione allo stato solido, liquido, gassoso o plasma. Transizione da uno stato di aggregazione all'altro avviene a temperatura costante(a condizione che la pressione e altri parametri non cambino) ambiente) ed è accompagnato dall'assorbimento o dal rilascio di energia termica. Nonostante il fatto che il 99% della materia nell'Universo sia allo stato di plasma, non considereremo questo stato di aggregazione in questo articolo.

Si consideri il grafico mostrato in figura. Mostra la dipendenza dalla temperatura della sostanza T sulla quantità di calore Q, portato a un certo sistema chiuso contenente una certa massa di una sostanza specifica.

1. Corpo solido con temperatura T1, riscaldare fino a temperatura Tm, spendendo in questo processo la quantità di calore pari a Q1 .

2. Successivamente, inizia il processo di fusione, che avviene a temperatura costante. TPL(punto di fusione). Per fondere l'intera massa di un solido, è necessario consumare energia termica in una quantità Q2 - Q1 .

3. Successivamente, il liquido risultante dalla fusione del solido viene riscaldato fino al punto di ebollizione (formazione di gas) Tkp, spendendo su questa quantità di calore pari a Q3-Q2 .

4. Ora a un punto di ebollizione costante Tkp il liquido bolle ed evapora trasformandosi in gas. Per convertire l'intera massa di liquido in gas, è necessario spendere energia termica in quantità Q4-Q3.

5. Nell'ultima fase, il gas viene riscaldato dalla temperatura Tkp ad una certa temperatura T2... In questo caso, il costo della quantità di calore sarà Q5-Q4... (Se riscaldiamo il gas alla temperatura di ionizzazione, il gas si trasforma in plasma.)

Quindi, riscaldando il solido originale dalla temperatura T1 alla temperatura T2 abbiamo speso energia termica nella quantità Q5, trasferendo materia attraverso tre stati di aggregazione.

Spostandoci nella direzione opposta, rimuoveremo la stessa quantità di calore dalla sostanza. Q5, passando per le fasi di condensazione, cristallizzazione e raffreddamento da temperatura T2 alla temperatura T1... Ovviamente stiamo considerando un sistema chiuso senza dispersioni di energia verso l'ambiente esterno.

Si noti che è possibile una transizione dallo stato solido allo stato gassoso, bypassando la fase liquida. Tale processo è chiamato sublimazione e il processo inverso è chiamato desublimazione.

Così, si sono resi conto che i processi di transizione tra gli stati di aggregazione della materia sono caratterizzati dal consumo di energia a temperatura costante. Quando una sostanza viene riscaldata, che si trova in uno stato di aggregazione costante, la temperatura aumenta e viene consumata anche energia termica.

Le principali formule per il trasferimento di calore.

Le formule sono molto semplici.

Quantità di calore Q in J si calcola con le formule:

1. Dal lato del consumo di calore, cioè dal lato del carico:

1.1. Durante il riscaldamento (raffreddamento):

Q = m * C * (T2-T1)

m – massa della sostanza in kg

insieme a - capacità termica specifica di una sostanza in J / (kg * K)

1.2. Quando si scioglie (congelando):

Q = m * λ

λ – calore specifico di fusione e cristallizzazione di una sostanza in J/kg

1.3. Ebollizione, evaporazione (condensa):

Q = m * R

R – calore specifico di formazione di gas e condensazione di una sostanza in J/kg

2. Dal lato produzione calore, cioè dal lato sorgente:

2.1. Durante la combustione del carburante:

Q = m * Q

Q – calore specifico di combustione del combustibile in J/kg

2.2. Quando si converte l'elettricità in energia termica (legge Joule-Lenz):

Q = t * I * U = t * R * I ^ 2 = (t / R)* U^2

T – tempo in s

io – corrente efficace in A

tu – valore di tensione efficace in V

R – resistenza di carico in ohm

Concludiamo che la quantità di calore è direttamente proporzionale alla massa della sostanza durante tutte le trasformazioni di fase e, quando riscaldata, è inoltre direttamente proporzionale alla differenza di temperatura. I coefficienti di proporzionalità ( C , λ , R , Q ) per ogni sostanza hanno i loro valori e sono determinati empiricamente (presi da libri di riferimento).

Energia termica n in W è la quantità di calore ceduta al sistema per un certo tempo:

N = Q / t

Più velocemente vogliamo riscaldare il corpo a una certa temperatura, più potenza dovrebbe essere la fonte di energia termica: tutto è logico.

Calcolo in Excel di un problema applicato.

Nella vita, è spesso necessario fare un rapido calcolo preventivo per capire se ha senso continuare a studiare un argomento, realizzare un progetto e calcoli dettagliati e ad alta intensità di lavoro. Avendo effettuato un calcolo in pochi minuti, anche con una precisione di ± 30%, si potrà prendere un'importante decisione gestionale che sarà 100 volte più economica e 1000 volte più operativa e, di conseguenza, 100.000 volte più efficiente rispetto all'esecuzione di un accurato calcolo entro una settimana, altrimenti e un mese, da un gruppo di costosi specialisti ...

Condizioni del problema:

Nei locali dell'officina per la preparazione della laminazione di metalli con dimensioni di 24 m x 15 m x 7 m, importiamo prodotti metallici per un importo di 3 tonnellate da un magazzino sulla strada. Il metallo laminato ha ghiaccio con un peso totale di 20 kg. Per strada -37˚С. Quanto calore è necessario per riscaldare il metallo a + 18˚С; scaldare il ghiaccio, scioglierlo e scaldare l'acqua a + 18˚С; riscaldare l'intero volume d'aria nella stanza, supponendo che il riscaldamento fosse completamente spento prima? Quale capacità dovrebbe avere il sistema di riscaldamento se tutto quanto sopra deve essere fatto in 1 ora? (Condizioni molto dure e quasi irrealistiche, specialmente quando si tratta di aria!)

Eseguiremo il calcolo nel programmaMS Excel o nel programmaOOo Calcolo.

Per la formattazione del colore di celle e caratteri, vedere la pagina "".

Dati iniziali:

1. Scriviamo i nomi delle sostanze:

alla cella D3: Acciaio

alla cella E3: Ghiaccio

nella cella F3: Acqua ghiacciata

alla cella G3: Acqua

alla cella G3: Aria

2. Inseriamo i nomi dei processi:

nelle celle D4, E4, G4, G4: calore

nella cella F4: fusione

3. Calore specifico delle sostanze C in J / (kg * K) scriviamo rispettivamente per acciaio, ghiaccio, acqua e aria

alla cella D5: 460

alla cella E5: 2110

alla cella G5: 4190

alla cella H5: 1005

4. Calore specifico di fusione del ghiaccio λ in J/kg entriamo

alla cella F6: 330000

5. Massa di sostanze m in kg entriamo, rispettivamente, per acciaio e ghiaccio

alla cella D7: 3000

alla cella E7: 20

Poiché la massa non cambia quando il ghiaccio si trasforma in acqua, allora

nelle celle F7 e G7: = E7 =20

Troviamo la massa d'aria dal prodotto del volume della stanza e il peso specifico

nella cella H7: = 24 * 15 * 7 * 1.23 =3100

6. Tempo di elaborazione T in min scriviamo solo una volta per acciaio

alla cella D8: 60

I tempi per riscaldare il ghiaccio, scioglierlo e riscaldare l'acqua risultante sono calcolati a partire dalla condizione che tutti e tre questi processi debbano essere completati nello stesso lasso di tempo, che è assegnato per il riscaldamento del metallo. Leggiamo di conseguenza

nella cella E8: = E12 / (($ E $ 12 + $ F $ 12 + $ G $ 12) / D8) =9,7

nella cella F8: = F12 / (($ E $ 12 + $ F $ 12 + $ G $ 12) / D8) =41,0

nella cella G8: = G12 / (($ E $ 12 + $ F $ 12 + $ G $ 12) / D8) =9,4

L'aria deve anche riscaldarsi durante lo stesso tempo assegnato, leggi

nella cella H8: = D8 =60,0

7. La temperatura iniziale di tutte le sostanze T1 in C entriamo

alla cella D9: -37

alla cella E9: -37

alla cella F9: 0

alla cella G9: 0

alla cella H9: -37

8. La temperatura finale di tutte le sostanze T2 in C entriamo

alla cella D10: 18

alla cella E10: 0

alla cella F10: 0

alla cella G10: 18

alla cella H10: 18

Penso che non dovrebbero esserci domande sulle clausole 7 e 8.

Risultati del calcolo:

9. Quantità di calore Q in KJ, calcoliamo il necessario per ciascuno dei processi

per il riscaldamento dell'acciaio nella cella D12: = D7 * D5 * (D10-D9) / 1000 =75900

per il riscaldamento del ghiaccio nello scomparto E12: = E7 * E5 * (E10-E9) / 1000 = 1561

per sciogliere il ghiaccio nella cella F12: = F7 * F6 / 1000 = 6600

per il riscaldamento dell'acqua nella cella G12: = G7 * G5 * (G10-G9) / 1000 = 1508

per riscaldamento aria nella cella H12: = H7 * H5 * (H10-H9) / 1000 = 171330

Leggiamo la quantità totale di energia termica richiesta per tutti i processi

nella cella unita D13E13F13G13H13: = SOMMA (D12: H12) = 256900

Nelle celle D14, E14, F14, G14, H14 e nella cella combinata D15E15F15G15H15, la quantità di calore è indicata nell'unità di misura dell'arco - in Gcal (in giga calorie).

10. Energia termica n in kW, necessario per ciascuno dei processi viene calcolato

per il riscaldamento dell'acciaio nella cella D16: = D12 / (D8 * 60) =21,083

per il riscaldamento del ghiaccio nella cella E16: = E12 / (E8 * 60) = 2,686

per sciogliere il ghiaccio nella cella F16: = F12 / (F8 * 60) = 2,686

per riscaldamento acqua in cella G16: = G12 / (G8 * 60) = 2,686

per riscaldamento aria in cella H16: = H12 / (H8 * 60) = 47,592

La potenza termica totale necessaria per completare tutti i processi in tempo T calcolato

nella cella unita D17E17F17G17H17: = D13 / (D8 * 60) = 71,361

Nelle celle D18, E18, F18, G18, H18 e nella cella combinata D19E19F19G19H19, la potenza termica è espressa nell'unità di misura dell'arco - in Gcal/ora.

Questo completa il calcolo in Excel.

Conclusioni:

Si noti che il riscaldamento dell'aria richiede più del doppio di energia rispetto al riscaldamento della stessa massa di acciaio.

Quando si riscalda l'acqua, il consumo di energia è doppio rispetto a quando si riscalda il ghiaccio. Il processo di fusione consuma molte volte più energia rispetto al processo di riscaldamento (con una piccola differenza di temperatura).

L'acqua di riscaldamento consuma dieci volte più energia termica rispetto al riscaldamento dell'acciaio e quattro volte più dell'aria di riscaldamento.

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Abbiamo ricordato i concetti di "quantità di calore" e "potenza termica", considerate le formule fondamentali per la trasmissione del calore, e analizzato un esempio pratico. Spero che il mio linguaggio sia stato semplice, chiaro e interessante.

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Le ricerche effettuate a cavallo tra gli anni Quaranta e Cinquanta hanno permesso di sviluppare una serie di soluzioni aerodinamiche e tecnologiche che garantiscono il passaggio sicuro della barriera del suono anche da aerei di serie. Poi sembrava che la conquista della barriera del suono creasse possibilità illimitate per aumentare ulteriormente la velocità di volo. In pochi anni sono stati pilotati circa 30 tipi di velivoli supersonici, di cui un numero significativo è stato messo in produzione in serie.

La varietà di soluzioni utilizzate ha portato al fatto che molti dei problemi associati ai voli ad alte velocità supersoniche sono stati studiati e risolti in modo completo. Tuttavia, sono stati riscontrati nuovi problemi, molto più complessi della barriera del suono. Sono causati dal riscaldamento della struttura. aereo quando si vola ad alta velocità negli strati densi dell'atmosfera. Questo nuovo ostacolo un tempo era chiamato la barriera termica. A differenza della barriera del suono, la nuova barriera non può essere caratterizzata da una costante, simile alla velocità del suono, poiché dipende sia dai parametri di volo (velocità e altitudine) e dal design della cellula (soluzioni progettuali e materiali utilizzati), sia dalla apparecchiature aeronautiche (condizionamento, sistemi di raffreddamento, ecc.). NS.). Pertanto, il concetto di "barriera termica" include non solo il problema del pericoloso riscaldamento della struttura, ma anche questioni come il trasferimento di calore, le proprietà di resistenza dei materiali, i principi di progettazione, l'aria condizionata, ecc.

Il riscaldamento del velivolo in volo avviene principalmente per due motivi: dalla decelerazione aerodinamica del flusso d'aria e dal rilascio di calore del sistema di propulsione. Entrambi questi fenomeni costituiscono il processo di interazione tra l'ambiente (aria, gas di scarico) e l'aerodinamica corpo solido(in aereo, motore). Il secondo fenomeno è tipico di tutti i velivoli ed è associato ad un aumento della temperatura degli elementi strutturali del motore, che ricevono calore dall'aria compressa nel compressore, nonché dai prodotti della combustione nella camera e nel tubo di scarico. Quando si vola ad alta velocità, il riscaldamento interno dell'aeromobile si verifica anche dall'aria decelerata nel canale dell'aria davanti al compressore. Quando si vola a basse velocità, l'aria che passa attraverso il motore ha una temperatura relativamente bassa, per cui non si verifica un pericoloso riscaldamento degli elementi strutturali della cellula. Ad alte velocità di volo, la limitazione del riscaldamento della struttura della cellula dagli elementi del motore caldi è fornita da un raffreddamento aggiuntivo con aria a bassa temperatura. Tipicamente si utilizza aria che viene prelevata dalla presa d'aria mediante una guida che separa lo strato limite, nonché aria captata dall'atmosfera mediante prese aggiuntive poste sulla superficie della gondola motore. Nei motori a doppio circuito, l'aria del circuito esterno (freddo) viene utilizzata anche per il raffreddamento.

Pertanto, il livello della barriera termica per i velivoli supersonici è determinato dal riscaldamento aerodinamico esterno. L'intensità del riscaldamento della superficie, percorsa dal flusso d'aria, dipende dalla velocità di volo. A basse velocità, questo riscaldamento è così trascurabile che l'aumento della temperatura potrebbe non essere preso in considerazione. Ad alta velocità, il flusso d'aria ha un'elevata energia cinetica e quindi l'aumento di temperatura può essere significativo. Ciò vale anche per la temperatura all'interno dell'aeromobile, poiché il flusso ad alta velocità, decelerato nella presa d'aria e compresso nel compressore del motore, diventa così caldo da non essere in grado di rimuovere il calore dalle parti calde del motore.

Un aumento della temperatura della pelle dell'aeromobile a causa del riscaldamento aerodinamico è causato dalla viscosità dell'aria che scorre intorno all'aeromobile, nonché dalla sua compressione sulle superfici anteriori. A causa della perdita di velocità delle particelle d'aria nello strato limite a causa dell'attrito viscoso, la temperatura dell'intera superficie aerodinamica dell'aeromobile aumenta. Per effetto della compressione dell'aria, la temperatura aumenta però solo localmente (si tratta principalmente del muso della fusoliera, del parabrezza dell'abitacolo, e soprattutto dei bordi d'attacco dell'ala e dell'impennaggio), ma più spesso raggiunge valori che non sono sicuri per la struttura. In questo caso, in alcuni punti si ha un impatto quasi diretto del flusso d'aria con la superficie e una frenata dinamica completa. In accordo con il principio di conservazione dell'energia, tutta l'energia cinetica del flusso viene convertita in energia termica e di pressione. Il corrispondente aumento di temperatura è direttamente proporzionale al quadrato della velocità del flusso prima della decelerazione (o, escludendo il vento, al quadrato della velocità dell'aereo) e inversamente proporzionale alla quota di volo.

In teoria, se il flusso è costante, il tempo è calmo e senza nuvole e non c'è trasferimento di calore attraverso la radiazione, il calore non penetra nella struttura e la temperatura della pelle è vicina alla cosiddetta temperatura di frenata adiabatica. La sua dipendenza dal numero di Mach (velocità e altitudine di volo) è riportata nella tabella. 4.

In condizioni reali, l'aumento della temperatura della pelle del velivolo da riscaldamento aerodinamico, cioè la differenza tra la temperatura di decelerazione e la temperatura ambiente, risulta essere leggermente inferiore a causa dello scambio di calore con il mezzo (per irraggiamento), strutturale adiacente elementi, ecc. solo nei cosiddetti punti critici situati sulle parti sporgenti dell'aeromobile e il flusso di calore alla pelle dipende anche dalla natura dello strato limite dell'aria (è più intenso per uno strato limite turbolento) . Una significativa diminuzione della temperatura si verifica anche quando si vola attraverso le nuvole, specialmente quando contengono gocce d'acqua super raffreddate e cristalli di ghiaccio. Per tali condizioni di volo, si presume che la diminuzione della temperatura cutanea nel punto critico rispetto alla temperatura di ristagno teorica possa raggiungere anche il 20-40%.

Tabella 4. Dipendenza della temperatura cutanea dal numero di Mach

Tuttavia, il riscaldamento generale di un aeromobile in volo a velocità supersoniche (soprattutto a bassa quota) è talvolta così elevato che un aumento della temperatura dei singoli elementi della cellula e dell'equipaggiamento porta o alla loro distruzione, o, almeno, al bisogno di cambiare la modalità di volo. Ad esempio, durante l'indagine sull'aeromobile XB-70A in voli ad altitudini superiori a 21 000 m a una velocità di M = 3, la temperatura dei bordi anteriori della presa d'aria e dei bordi anteriori dell'ala era di 580-605 K, e il resto della pelle era di 470-500 K. fino a valori così elevati si può apprezzare appieno se si tiene conto del fatto che anche a temperature di circa 370 K si ammorbidisce il vetro organico, comunemente usato per le cabine di smaltatura, fa bollire il combustibile e la colla ordinaria perde forza. A 400 K, la resistenza del duralluminio diminuisce significativamente, a 500 K si verifica la decomposizione chimica del fluido di lavoro nel sistema idraulico e la distruzione delle guarnizioni, a 800 K le leghe di titanio perdono le proprietà meccaniche necessarie, a temperature superiori a 900 K fusione di alluminio e magnesio e l'acciaio si ammorbidisce. Un aumento della temperatura porta anche alla distruzione dei rivestimenti, di cui si possono utilizzare anodizzazione e cromatura fino a 570 K, nichelatura fino a 650 K e argentatura fino a 720 K.

Dopo la comparsa di questo nuovo ostacolo all'aumento della velocità di volo, sono iniziate le ricerche con l'obiettivo di eliminarne o mitigarne le conseguenze. I modi per proteggere l'aereo dagli effetti del riscaldamento aerodinamico sono determinati da fattori che impediscono l'aumento della temperatura. Oltre all'altitudine di volo e alle condizioni atmosferiche, un'influenza significativa sul grado di riscaldamento dell'aeromobile è esercitata da:

- coefficiente di conducibilità termica del materiale della pelle;

- le dimensioni della superficie (soprattutto frontale) dell'aeromobile; -tempo di volo.

Ne consegue che i modi più semplici per ridurre il riscaldamento della struttura sono aumentare l'altitudine di volo e limitarne al minimo la durata. Questi metodi furono usati nei primi velivoli supersonici (soprattutto in quelli sperimentali). A causa della conduttività termica e della capacità termica piuttosto elevate dei materiali utilizzati per la fabbricazione di elementi sottoposti a sollecitazione termica della struttura dell'aeromobile, dal momento in cui l'aeromobile raggiunge l'alta velocità al momento del riscaldamento dei singoli elementi strutturali alla temperatura di progetto del punto critico, di solito ce n'è abbastanza grande momento... Nei voli della durata di diversi minuti (anche a bassa quota), non si raggiungono temperature distruttive. Il volo ad alta quota avviene in condizioni di bassa temperatura (circa 250 K) e bassa densità dell'aria. Di conseguenza, la quantità di calore ceduta dal flusso alle superfici dell'aeromobile è piccola e lo scambio di calore richiede più tempo, il che allevia notevolmente il problema. Un risultato simile si ottiene limitando la velocità del velivolo a bassa quota. Ad esempio, durante il volo al suolo a una velocità di 1600 km / h, la forza del duralluminio diminuisce solo del 2% e un aumento della velocità a 2400 km / h porta a una diminuzione della sua forza fino al 75% in confronto con il valore iniziale.

Riso. 1.14. Distribuzione della temperatura nel canale dell'aria e nel motore del velivolo Concorde durante il volo con M = 2,2 (a) e la temperatura della pelle dell'aeromobile XB-70A durante il volo a una velocità costante di 3200 km / h (b).

Tuttavia, la necessità di garantire condizioni operative sicure nell'intera gamma di velocità e altezze di volo utilizzate costringe i progettisti a cercare mezzi tecnici appropriati. Poiché il riscaldamento degli elementi strutturali dell'aeromobile provoca una diminuzione delle proprietà meccaniche dei materiali, la comparsa di sollecitazioni termiche nella struttura, nonché un deterioramento delle condizioni di lavoro dell'equipaggio e delle attrezzature, tali mezzi tecnici utilizzati nella pratica esistente possono essere diviso in tre gruppi. Di conseguenza includono l'uso di 1) materiali resistenti al calore, 2) soluzioni progettuali che forniscono il necessario isolamento termico e la deformazione consentita delle parti e 3) sistemi di raffreddamento per l'abitacolo e i vani delle apparecchiature.

Negli aeroplani con una velocità massima di M = 2.0-1-2.2, sono ampiamente utilizzate leghe di alluminio (duralluminio), che sono caratterizzate da resistenza relativamente elevata, bassa densità e conservazione delle proprietà di resistenza con un leggero aumento della temperatura. I Dural sono solitamente integrati con leghe di acciaio o titanio, da cui sono realizzate parti della cellula che sono esposte ai maggiori carichi meccanici o termici. Le leghe di titanio venivano utilizzate già nella prima metà degli anni '50, prima su scala molto ridotta (ora parti di esse possono costituire fino al 30% della massa della cellula). Negli aerei sperimentali con M ~ 3, diventa necessario utilizzare leghe di acciaio resistenti al calore come materiale strutturale principale. Tali acciai mantengono buone proprietà meccaniche alle alte temperature tipiche dei voli ipersonici, ma i loro svantaggi sono l'alto costo e l'alta densità. Queste carenze, in un certo senso, limitano lo sviluppo di velivoli ad alta velocità, quindi si stanno studiando anche altri materiali.

Negli anni '70 furono effettuati i primi esperimenti per utilizzare il berillio nella costruzione di aerei, oltre a materiali compositi a base di boro o fibre di carbonio. Questi materiali hanno ancora un costo elevato, ma allo stesso tempo sono caratterizzati da bassa densità, elevata resistenza e rigidità, nonché da una significativa resistenza al calore. Esempi di applicazioni specifiche di questi materiali nella costruzione della cellula sono forniti nelle descrizioni dei singoli aeromobili.

Un altro fattore che influenza in modo significativo le prestazioni della struttura aeronautica riscaldata è l'effetto delle cosiddette sollecitazioni termiche. Sorgono a causa delle differenze di temperatura tra le superfici esterne e interne degli elementi, e in particolare tra la pelle e gli elementi strutturali interni dell'aeromobile. Il riscaldamento superficiale della cellula porta alla deformazione dei suoi elementi. Ad esempio, può verificarsi la deformazione della pelle dell'ala, che porterà a un cambiamento nelle caratteristiche aerodinamiche. Pertanto, in molti velivoli viene utilizzata una pelle multistrato brasata (a volte incollata), caratterizzata da elevata rigidità e buone proprietà isolanti, oppure vengono utilizzati elementi della struttura interna con opportuni compensatori (ad esempio, nell'aereo F-105, il le pareti dei longheroni sono in lamiera grecata). Sono noti anche esperimenti sul raffreddamento delle ali con carburante (ad esempio, nell'aeromobile X-15) che scorre sotto la pelle nel percorso dal serbatoio agli ugelli della camera di combustione. Tuttavia, ad alte temperature, il carburante viene solitamente sottoposto a coke, quindi tali esperimenti possono essere considerati infruttuosi.

Attualmente in fase di indagine metodi diversi, compresa l'applicazione di uno strato isolante di materiali refrattari mediante spruzzatura al plasma. Altri metodi considerati promettenti non hanno trovato applicazione. Tra l'altro, è stato proposto di utilizzare uno "strato protettivo" creato soffiando gas sulla pelle, raffreddando per "sudorazione" fornendo un liquido ad alta temperatura di evaporazione in superficie attraverso una pelle porosa, e raffreddando per fusione e trascinamento di una parte della pelle (materiali ablativi).

Un compito piuttosto specifico e allo stesso tempo molto importante è quello di mantenere la temperatura adeguata nell'abitacolo e nei vani attrezzature (soprattutto elettronici), nonché la temperatura degli impianti carburante e idraulico. Attualmente, questo problema viene risolto mediante l'uso di sistemi di condizionamento, raffreddamento e refrigerazione ad alte prestazioni, un efficace isolamento termico, l'uso di fluidi di lavoro di sistemi idraulici con un'elevata temperatura di evaporazione, ecc.

I problemi di barriera termica devono essere affrontati in modo completo. Qualsiasi progresso in questo settore spinge la barriera per questo tipo di velivoli verso una velocità di volo più elevata, non escludendola in quanto tale. Tuttavia, la ricerca di velocità ancora più elevate porta alla realizzazione di strutture e attrezzature ancora più complesse, che richiedono l'utilizzo di materiali di qualità superiore. Ciò ha un impatto significativo sul peso, sui costi di acquisto e sui costi operativi e di manutenzione dell'aeromobile.

Da quelli dati in tabella. 2 di questi aerei da combattimento, si può notare che nella maggior parte dei casi la velocità massima di 2200-2600 km/h era considerata razionale. Solo in alcuni casi si ritiene che la velocità del velivolo debba superare M ~ 3. I velivoli in grado di sviluppare tali velocità comprendono le macchine sperimentali X-2, XB-70A e T. 188, il ricognitore SR-71 e il aereo E-266.

1* La refrigerazione è il trasferimento forzato di calore da una fonte fredda ad un ambiente ad alta temperatura, opponendosi artificialmente alla direzione naturale del movimento del calore (da un corpo caldo a uno freddo, quando avviene il processo di raffreddamento). Il frigorifero più semplice è un frigorifero domestico.

Calcolo preliminare della superficie riscaldante della baderna.

Q in = V in * (i in // - i in /) * τ = 232231.443 * (2160-111.3) * 0,7 = 333,04 * 10 6 kJ / ciclo.

Differenza di temperatura media logaritmica per ciclo.

Velocità dei prodotti della combustione (fumo) = 2,1 m/s. Quindi la velocità dell'aria in condizioni normali è:

6.538 m/s

Temperature medie dell'aria e dei fumi per il periodo.

935 o C

680 o C

Temperatura media della sommità dell'ugello nei periodi fumo e aria

Temperatura media del ciclo della parte superiore dell'ugello

Temperatura media del fondo dell'ugello nei periodi fumo e aria:

Temperatura media del ciclo del fondo dell'ugello

Determinare il valore dei coefficienti di scambio termico per la parte superiore e inferiore dell'ugello. Per un ugello del tipo accettato con un valore di 2240 18000 il valore del trasferimento di calore per convezione è determinato dall'espressione Nu = 0,0346 * Re 0,8

La velocità effettiva del fumo è determinata dalla formula W d = W a * (1 + βt d). La velocità dell'aria effettiva alla temperatura t in e alla pressione dell'aria p in = 0,355 MN / m 2 (assoluta) è determinata dalla formula

Dove 0.1013-MN/m2 è la pressione in condizioni normali.

Dalle tabelle vengono selezionati il valore della viscosità cinematica ν e il coefficiente di conducibilità termica λ per i prodotti della combustione. In questo caso, teniamo conto che il valore di dipende molto poco dalla pressione e ad una pressione di 0,355 MN / m 2, i valori di possono essere utilizzati a una pressione di 0,1013 MN / m 2. La viscosità cinematica dei gas è inversamente proporzionale alla pressione; quel valore di ad una pressione di 0,1013 MN/m 2 è diviso per il rapporto.

Lunghezza effettiva del raggio per ugello a blocco

= 0,0284 m

Per un dato imballaggio m 2 / m 3; = 0,7 m 3 / m 3; m2/m2.

I calcoli sono riassunti nella tabella 3.1.

Tabella 3.1 - Determinazione dei coefficienti di scambio termico per la parte superiore e inferiore dell'ugello.

Nome, valore e unità di misura delle dimensioni	Formula di calcolo	Pagamento anticipato	Calcolo raffinato
superiore	parte inferiore	superiore	Parte inferiore
Fumo	aria	Fumo	aria	aria	aria
Temperature medie dell'aria e dei fumi nel periodo 0 С	Secondo il testo	1277,5		592,5		1026,7	355,56
Coefficiente di conducibilità termica dei prodotti della combustione e dell'aria l 10 2 W / (mgrad)	Secondo il testo	13,405	8,101	7,444	5,15	8,18	5,19
Viscosità cinematica dei prodotti della combustione e dell'aria g 10 6 m 2 / s	Applicazione	236,5	52,6	92,079	18,12	53,19	18,28
Definizione del diametro del canale d, m		0,031	0,031	0,031	0,031	0,031	0,031
Velocità effettiva del fumo e dell'aria W m / s	Secondo il testo	11,927	8,768	6,65	4,257	8,712	4,213
Rif
Nu	Secondo il testo	12,425	32,334	16,576	42,549	31,88	41,91
Coefficiente di scambio termico per convezione a a W / m 2 * deg		53,73	84,5	39,804	70,69	84,15	70,226
		0,027	-	0,045	-	-	-
		1,005	-	1,055	-	-	-
Coefficiente di scambio termico radiante a p W / m 2 * deg		13,56	-	5,042	-	-	-
a W / m 2 * gradi		67,29	84,5	44,846	70,69	84,15	70,226

La capacità termica e la conduttività termica del mattone l dell'imballaggio sono calcolate dalle formule:

, kJ / (kg * gradi) l, W / (mgrad)

Dina 0,875 + 38,5 * 10 -5 * t 1,58 + 38,4 * 10 -5 t

Argilla refrattaria 0,869 + 41,9 * 10 -5 * t 1,04 + 15,1 * 10 -5 t

Il mezzo spessore equivalente di un mattone è determinato dalla formula

Tabella 3.2 - Grandezze fisiche del materiale e coefficiente di accumulo di calore per la metà superiore e inferiore dell'imballaggio rigenerativo

taglie	Formula di calcolo	Pagamento anticipato	Calcolo raffinato
		superiore	parte inferiore	superiore	Parte inferiore
dinas	argilla refrattaria	dinas	argilla refrattaria
Temperatura media, 0 С	Secondo il testo	1143,75	471,25	1152,1	474,03
Densità apparente, r kg / m 3	Secondo il testo
Coefficiente di conducibilità termica l W / (mgrad)	Secondo il testo	2,019	1,111	2,022	1,111
Capacità termica С, kJ / (kg * gradi)	Secondo il testo	1,315	1,066	1,318	1,067
Coefficiente di diffusività termica a, m 2 / ora		0,0027	0,0018	0,0027	0,0018
F 0 S		21,704	14,59	21,68	14,58
Coefficiente di accumulo di calore h to		0,942	0,916	0,942	0,916

Come è evidente dalla tabella, il valore di h k>, cioè i mattoni sono usati in rapporto termico per tutto il loro spessore. Di conseguenza, per quanto sopra, prendiamo il valore del coefficiente di isteresi termica per la parte superiore dell'ugello x = 2.3, per la parte inferiore x = 5.1.

Quindi il coefficiente di scambio termico totale viene calcolato con la formula:

per la parte superiore dell'ugello

58.025 kJ / (m2 ciclo * gradi)

per il fondo dell'ugello

60,454 kJ / (m2 ciclo * gradi)

Media per l'ugello nel suo insieme

59.239 kJ / (m2 ciclo * gradi)

Superficie riscaldante dell'ugello

22093,13 m2