Toate procesele de viață de pe Pământ sunt cauzate de energia termică. Principala sursă din care Pământul primește energie termică este Soarele. Emite energie sub forma diferitelor raze - unde electromagnetice. Se numește radiația Soarelui sub formă de unde electromagnetice care se propagă la o viteză de 300.000 km / s, care constă din raze de diferite lungimi, care transportă lumina și căldura pe Pământ.
Radiațiile pot fi directe și difuze. Fără atmosferă, suprafața pământului ar primi doar radiații directe. Prin urmare, radiația care vine direct de la Soare sub formă de lumină directă a soarelui și pe un cer fără nori se numește directă. Purtă cea mai mare cantitate de căldură și lumină. Dar, trecând prin atmosferă, razele soarelui sunt parțial împrăștiate, deviate cale dreaptă ca urmare a reflexiei din moleculele de aer, picăturile de apă, particulele de praf și trec în raze care merg în toate direcțiile. O astfel de radiație se numește difuză. Prin urmare, există lumină și în acele locuri în care lumina directă a soarelui (radiația directă) nu pătrunde (copertina pădurii, partea umbrită a stâncilor, munții, clădirile etc.). Radiația împrăștiată determină și culoarea cerului. Toată radiația solară care ajunge la suprafața pământului, adică direct și împrăștiat, numit total. Suprafața terestră, absorbind radiația solară, se încălzește și ea însăși devine o sursă de radiație de căldură în atmosferă. Se numește radiație terestră sau radiație terestră și este în mare parte reținută de atmosfera inferioară. Radiația Soarelui absorbită de suprafața pământului este consumată pentru încălzirea apei, solului, aerului, evaporării și radiațiilor în atmosferă. Mai degrabă pământos decât definitoriu regim de temperatură troposfera, adică razele soarelui care trec prin toate nu îl încălzesc. Cea mai mare cantitate de căldură este primită și încălzită la cele mai înalte temperaturi de straturile inferioare ale atmosferei, direct adiacente sursei de căldură - suprafața pământului. Încălzirea scade odată cu distanța față de suprafața pământului. De aceea, în troposferă cu înălțime, aceasta scade în medie cu 0,6 ° С la fiecare 100 m de urcare. Acesta este un model general pentru troposferă. Există momente în care straturile de aer suprapuse se dovedesc a fi mai calde decât cele subiacente. Acest fenomen se numește inversare a temperaturii.
Încălzirea suprafeței pământului diferă semnificativ nu numai în înălțime. Cantitatea de radiație solară totală depinde direct de unghiul de incidență al razelor solare. Cu cât această valoare este mai apropiată de 90 °, cu atât suprafața pământului primește mai multă energie solară.
La rândul său, unghiul de incidență al soarelui pe un anumit punct de pe suprafața pământului este determinat de latitudinea acestuia. Puterea radiației solare directe depinde de lungimea căii pe care razele soarelui o parcurg în atmosferă. Când Soarele se află la zenit (lângă ecuator), razele sale cad vertical pe suprafața pământului, adică depășește atmosfera pe cea mai scurtă rută (la 90 °) și dă-i intens energie unei zone mici. Pe măsură ce te îndepărtezi de zona ecuatorială spre sud sau nord crește lungimea căii razelor solare, adică unghiul incidenței lor pe suprafața pământului scade. Din ce în ce mai multe raze încep să alunece de-a lungul Pământului și se apropie de linia tangentă din regiunea polilor. În acest caz, același fascicul de energie este împrăștiat pe o suprafață mare, iar cantitatea de energie reflectată crește. Astfel, acolo unde razele soarelui cad pe suprafața pământului la un unghi de 90 °, acesta este constant ridicat și, pe măsură ce se deplasează spre poli, devine din ce în ce mai rece. Căldura este cea mai mică la poli, unde razele soarelui cad sub un unghi de 180 ° (adică tangențial).
O astfel de distribuție inegală a căldurii pe Pământ, în funcție de latitudinea locului, face posibilă distingerea a cinci zone de căldură: una fierbinte, două și două reci.
Condițiile pentru încălzirea apei și a solului prin radiații solare sunt foarte diferite. Capacitatea termică a apei este de două ori mai mare decât cea a terenului. Aceasta înseamnă că, cu aceeași cantitate de căldură, terenul se încălzește de două ori mai repede decât apa și, atunci când se răcește, se întâmplă opusul. În plus, apa se evaporă atunci când este încălzită, ceea ce consumă o cantitate considerabilă de căldură. Pe uscat, căldura este concentrată numai în stratul superior, doar o mică parte din ea este transferată în adâncime. În apă, razele încălzesc imediat o grosime semnificativă, ceea ce este facilitat de amestecarea verticală a apei. Ca urmare, apa acumulează căldură mult mai mult decât pământul, o reține mai mult timp și o folosește mai uniform decât pământul. Se încălzește mai încet și se răcește mai încet.
Suprafața terenului este eterogenă. Încălzirea sa depinde în mare măsură de proprietățile fizice ale solurilor și de gheață, de expunerea (unghiul de înclinare a suprafețelor terestre în raport cu razele solare incidente) ale versanților. Particularitățile suprafeței subiacente determină natura diferită a schimbării temperaturilor aerului în timpul zilei și al anului. Cele mai scăzute temperaturi ale aerului în timpul zilei pe uscat se observă cu puțin timp înainte de răsăritul soarelui (fără influx de radiații solare și radiații terestre puternice noaptea). Cele mai mari sunt după-amiaza (14-15 ore). În timpul anului în emisfera nordică, cele mai ridicate temperaturi ale aerului pe uscat se înregistrează în iulie, iar cele mai scăzute în ianuarie. Deasupra suprafeței apei, temperatura zilnică maximă a aerului este deplasată și se notează la 15-16 ore și cel puțin 2-3 ore după răsărit. Maximul anual (în emisfera nordică) are loc în august, iar cel minim în februarie.
Încălzire aerodinamică încălzirea corpurilor care se deplasează cu viteză mare în aer sau alt gaz. A. n. - rezultatul faptului că moleculele de aer care atacă corpul sunt decelerate în apropierea corpului. Dacă zborul se efectuează la viteza supersonică a culturilor, frânarea are loc în principal în unda de șoc (vezi Unda de șoc) ,
apărând în fața corpului. Decelerarea suplimentară a moleculelor de aer are loc direct la suprafața corpului, în
strat de graniță (a se vedea stratul de graniță). Când moleculele de aer sunt decelerate, energia lor termică crește, adică temperatura gazului lângă suprafața unui corp în mișcare crește temperatura maximă la care gazul se poate încălzi în vecinătatea corpului în mișcare este aproape de așa-numita . temperatura de frânare: T 0 = T n + v 2 / 2c p,
Unde T n - temperatura aerului de intrare, v - viteza de zbor a corpului, c p- căldura specifică a gazului la presiune constantă. De exemplu, atunci când o aeronavă supersonică zboară cu viteza sunetului de trei ori (aproximativ 1 km / sec) temperatura de decelerare este de aproximativ 400 ° C, iar atunci când nava spațială intră în atmosfera Pământului cu prima viteză spațială (8.1 km / sec) temperatura de stagnare atinge 8000 ° C. Dacă în primul caz, în timpul unui zbor suficient de lung, temperatura pielii aeronavei atinge valori apropiate de temperatura de stagnare, atunci în al doilea caz, suprafața navei spațiale va începe inevitabil să se prăbușească din cauza incapacității materiale care să reziste la temperaturi atât de ridicate. Căldura este transferată din zonele de gaz cu o temperatură crescută într-un corp în mișcare, iar A. n. Există două forme de A. n. - convectiv și radiații. Încălzirea convectivă este o consecință a transferului de căldură din partea exterioară, „fierbinte” a stratului limită la suprafața corpului. Fluxul de căldură convectivă este determinat cantitativ din raport q k = a(T e -T w), Unde T e - temperatura de echilibru (temperatura limită la care suprafața corpului ar putea fi încălzită dacă nu a fost eliminată energia), T w - temperatura reală a suprafeței, A- coeficientul de transfer termic convectiv, care depinde de viteza și altitudinea zborului, forma și dimensiunea corpului, precum și de alți factori. Temperatura de echilibru este apropiată de temperatura de stagnare. Tipul dependenței coeficientului dar din parametrii enumerați este determinată de regimul de curgere în stratul limită (laminar sau turbulent). În cazul unui flux turbulent, încălzirea convectivă devine mai intensă. Acest lucru se datorează faptului că, pe lângă conductivitatea termică moleculară, pulsațiile de viteză turbulentă din stratul limită încep să joace un rol esențial în transferul de energie. Odată cu creșterea vitezei de zbor, temperatura aerului din spatele undei de șoc și a stratului limită crește, rezultând disocierea și ionizarea
molecule. Atomii, ionii și electronii rezultați se difuzează într-o regiune mai rece - la suprafața corpului. Există o reacție inversă (recombinare) ,
mergând cu eliberarea căldurii. Aceasta aduce o contribuție suplimentară la A. convectivă. La atingerea unei viteze de zbor de aproximativ 5000 m / sec temperatura din spatele undei de șoc atinge valori la care gazul începe să radieze. Datorită transferului radiant de energie din zonele cu temperaturi ridicate la suprafața corpului, are loc încălzirea prin radiații. În acest caz, cel mai mare rol îl joacă radiațiile din regiunile vizibile și ultraviolete ale spectrului. Când zburați în atmosfera Pământului la viteze sub prima viteză cosmică (8.1 km / sec) încălzirea prin radiație este mică în comparație cu încălzirea convectivă. La a doua viteză cosmică (11.2 km / sec)
valorile lor devin apropiate și la viteze de zbor de 13-15 km / secși mai mare, corespunzător întoarcerii pe Pământ după zborurile către alte planete, contribuția principală este adusă de încălzirea prin radiații.
In mod deosebit rol important A. n. se joacă atunci când navele spațiale se întorc în atmosfera Pământului (de exemplu, Vostok, Voskhod, Soyuz). Pentru a combate A. n. navele spațiale sunt echipate sisteme speciale protecție termică (vezi Protecție termică). Lit.: Bazele transferului de căldură în aviație și rachetă, M., 1960; Dorrens W.H., Fluxuri de gaze vâscoase hipersonice, trad. din engleză., M., 1966; Zel'dovich Ya.B., Raizer Yu.P., Fizica undelor de șoc și a fenomenelor hidrodinamice la temperatură înaltă, ediția a II-a, Moscova, 1966. N.A. Anfimov.
Mare Enciclopedia sovietică... - M.: Enciclopedie sovietică. 1969-1978 .
Vedeți ce este "Aerodynamic încălzire" în alte dicționare:
Încălzirea corpurilor care se deplasează cu viteză mare în aer sau alt gaz. A. n. rezultatul faptului că moleculele de aer care atacă corpul sunt decelerate în apropierea corpului. Dacă zborul se efectuează cu sunet supersonic. viteza, frânarea are loc în primul rând în șoc ... ... Enciclopedie fizică
Încălzirea unui corp care se deplasează cu viteză mare în aer (gaz). O încălzire aerodinamică vizibilă se observă atunci când un corp se mișcă la viteză supersonică (de exemplu, atunci când se mișcă focoasele rachetelor balistice intercontinentale) EdwART .... ... ... Marine Dictionary
încălzire aerodinamică- Încălzirea suprafeței unui corp într-un curent de gaz, deplasându-se într-un mediu gazos la o viteză mare în prezența convectivului, și la viteze hipersonice și schimb de căldură prin radiație cu mediul gazos din stratul limită sau de șoc. [GOST 26883 ... ... Ghidul traducătorului tehnic
O creștere a temperaturii unui corp care se deplasează cu viteză mare în aer sau alte gaze. Încălzirea aerodinamică este rezultatul decelerării moleculelor de gaz lângă suprafața corpului. Deci, atunci când o navă spațială intră în atmosfera Pământului cu o viteză de 7,9 km / s ... ... dicționar enciclopedic
încălzire aerodinamică- aerodinaminis įšilimas statusas T sritis Energetika apibrėžtis Kūnų, judančių dujose (ore) dideliu greičiu, paviršiaus įšilimas. atitikmenys: angl. aerodynamical încălzire vok. aerodynamische Aufheizung, f rus. încălzire aerodinamică, m pranc. …… Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas- o creștere a temperaturii unui corp care se deplasează cu viteză mare în aer sau alte gaze. A. și. rezultatul decelerării moleculelor de gaz în apropierea suprafeței corpului. Deci, la intrarea în cosmic. nava spațială în atmosfera Pământului la o viteză de 7,9 km / s, viteza aerului pa la suprafață ... Științele naturii. dicționar enciclopedic
Încălzirea aerodinamică a structurii rachetei- Încălzirea suprafeței rachetei în timpul mișcării acesteia în straturi dense ale atmosferei la viteză mare. UN. - rezultatul faptului că moleculele de aer care afectează racheta sunt decelerate în apropierea corpului său. În acest caz, există o tranziție a energiei cinetice ... ... Enciclopedia forțelor strategice de rachetă
Concorde Concorde la aeroport ... Wikipedia
Omenirea cunoaște câteva tipuri de energie - energie mecanică (cinetică și potențială), energie internă (termică), energie de câmp (gravitațională, electromagnetică și nucleară), chimică. Separat, merită subliniat energia exploziei ...
Energia vidului și care există încă doar în teorie - energie întunecată... În acest articol, primul din titlul „Ingineria termică”, voi încerca într-un limbaj simplu și accesibil, folosind un exemplu practic, să vorbesc despre cea mai importantă formă de energie din viața oamenilor - despre energie termalăși despre nașterea ei la timp capacitate termică.
Câteva cuvinte pentru a înțelege locul ingineriei termice ca ramură a științei obținerii, transferului și utilizării energiei termice. Ingineria termică modernă a apărut din termodinamica generală, care la rândul ei este una dintre ramurile fizicii. Termodinamica este literalmente „caldă” plus „putere”. Astfel, termodinamica este știința „schimbării temperaturii” unui sistem.
Impactul asupra sistemului din exterior, în care se schimbă energia sa internă, poate fi rezultatul transferului de căldură. Energie termală, care este dobândit sau pierdut de sistem ca urmare a unei astfel de interacțiuni cu mediul, este numit cantitatea de căldurăși se măsoară în unități SI în Jouli.
Dacă nu sunteți inginer de încălzire și nu vă ocupați zilnic de probleme de inginerie termică, atunci când vă confruntați cu ei, uneori fără experiență este foarte dificil să le înțelegeți rapid. Este dificil, fără experiență, să ne imaginăm chiar și dimensionalitatea valorilor căutate ale cantității de căldură și putere termică. Câți Jouli de energie sunt necesari pentru a încălzi 1000 de metri cubi de aer de la o temperatură de -37˚С la + 18˚С? .. Care este puterea unei surse de căldură pentru a face acest lucru în 1 oră? "Nu toți inginerii. Uneori specialiștii chiar își amintesc formulele, dar doar câțiva le pot aplica în practică!
După ce ați citit acest articol până la capăt, puteți rezolva cu ușurință sarcinile industriale și domestice reale legate de încălzire și răcire. diverse materiale... Înțelegerea naturii fizice a proceselor de transfer de căldură și cunoașterea formulelor de bază simple sunt principalele elemente de bază în baza cunoștințelor în domeniul ingineriei termice!
Cantitatea de căldură din diferite procese fizice.
Majoritatea substanțelor cunoscute pot fi în stare solidă, lichidă, gazoasă sau plasmatică la diferite temperaturi și presiuni. Tranziție de la o stare de agregare la alta apare la temperatura constanta(cu condiția ca presiunea și alți parametri să nu se schimbe mediul) și este însoțit de absorbția sau eliberarea de energie termică. În ciuda faptului că 99% din materia din Univers se află în stare plasmatică, nu vom lua în considerare această stare de agregare în acest articol.
Luați în considerare graficul prezentat în figură. Arată dependența de temperatura substanței T pe cantitatea de căldură Î, adus la un anumit sistem închis care conține o anumită masă dintr-o anumită substanță.
1. Corp solid cu temperatură T1, se încălzește la temperatură Tm, cheltuind pe acest proces o cantitate de căldură egală cu Q1 .
2. Apoi, începe procesul de topire, care are loc la o temperatură constantă. TPL(punct de topire). Pentru a topi întreaga masă a unui solid, este necesar să consumați energia termică într-o cantitate Q2 - Q1 .
3. Apoi, lichidul rezultat din topirea solidului este încălzit până la punctul de fierbere (formarea gazului) Tkp, cheltuind pe această cantitate de căldură egală cu Q3-Q2 .
4. Acum, la un punct de fierbere constant Tkp lichidul fierbe și se evaporă, transformându-se într-un gaz. Pentru transferul întregii mase de lichid în gaz, este necesar să cheltuiți energie termică într-o cantitate Q4-Q3.
5. În ultima etapă, gazul este încălzit de la temperatură Tkp la o anumită temperatură T2... În acest caz, costul cantității de căldură va fi Q5-Q4... (Dacă încălzim gazul la temperatura de ionizare, atunci gazul se transformă în plasmă.)
Astfel, încălzirea solidului original de la temperatură T1 la temperatura T2 am consumat energie termică în cantitate Q5, transferând materia prin trei stări de agregare.
Mutare în direcție inversă, vom elimina aceeași cantitate de căldură din substanță Q5, trecând prin etapele de condensare, cristalizare și răcire de la temperatură T2 la temperatura T1... Desigur, avem în vedere un sistem închis fără pierderi de energie în mediul extern.
Rețineți că este posibilă o tranziție de la o stare solidă la o stare gazoasă, ocolind faza lichidă. Un astfel de proces se numește sublimare, iar procesul invers se numește desublimare.
Deci, și-au dat seama că procesele de tranziție între stările de agregare a materiei se caracterizează prin consumul de energie la o temperatură constantă. Când o substanță este încălzită, care se află într-o stare constantă de agregare, temperatura crește și se consumă și energie termică.
Principalele formule pentru transferul de căldură.
Formulele sunt foarte simple.
Cantitatea de căldură Îîn J se calculează după formulele:
1. Din partea consumului de căldură, adică din partea sarcinii:
1.1. La încălzire (răcire):
Î = m * c * (T2-T1)
m – masa substanței în kg
din - capacitatea termică specifică a unei substanțe în J / (kg * K)
1.2. La topire (îngheț):
Î = m * λ
λ – căldura specifică de fuziune și cristalizare a unei substanțe în J / kg
1.3. Fierbere, evaporare (condensare):
Î = m * r
r – căldura specifică de formare a gazelor și condensarea unei substanțe în J / kg
2. Din partea producției de căldură, adică din partea sursei:
2.1. În timpul arderii combustibilului:
Î = m * q
q – căldura specifică de ardere a combustibilului în J / kg
2.2. Când convertiți energia electrică în energie termică (legea Joule-Lenz):
Q = t * I * U = t * R * I ^ 2 = (t / R)* U ^ 2
t – timpul în s
Eu – curent efectiv în A.
U – valoarea tensiunii efective în V
R – rezistența la sarcină în ohmi
Concluzionăm că cantitatea de căldură este direct proporțională cu masa substanței în timpul tuturor transformărilor de fază și, atunci când este încălzită, este direct proporțională cu diferența de temperatură. Coeficienții de proporționalitate ( c , λ , r , q ) pentru fiecare substanță au propriile valori și sunt determinate empiric (preluate din cărțile de referință).
Putere termala N în W este cantitatea de căldură transferată la sistem pentru un anumit timp:
N = Q / t
Cu cât dorim să încălzim mai repede corpul la o anumită temperatură, cu atât ar trebui să fie mai mare sursa de energie termică - totul este logic.
Calculul în Excel al unei probleme aplicate.
În viață, este adesea necesar să se facă un calcul rapid al estimării pentru a înțelege dacă are sens să continuăm să studiem un subiect, să facem un proiect și să facem calcule detaliate, precise și intensive în muncă. După ce ați făcut un calcul în câteva minute, chiar și cu o precizie de ± 30%, puteți lua o decizie importantă de management care va fi de 100 de ori mai ieftină și de 1000 de ori mai operațională și, ca urmare, de 100.000 de ori mai eficientă decât efectuarea unei calcul în termen de o săptămână, altfel și o lună, de către un grup de specialiști scumpi ...
Condițiile problemei:
În incinta atelierului pentru pregătirea metalului laminat cu dimensiuni de 24m x 15m x 7m, importăm produse metalice în cantitate de 3 tone dintr-un depozit de pe stradă. Metalul laminat are gheață cu o greutate totală de 20 kg. Pe stradă -37˚С. Câtă căldură este necesară pentru a încălzi metalul la + 18˚С; încălziți gheața, topiți-o și încălziți apa la + 18˚С; încălzi întregul volum de aer din cameră, presupunând că încălzirea a fost complet oprită înainte? Ce capacitate ar trebui să aibă sistemul de încălzire dacă toate cele de mai sus trebuie făcute într-o oră? (Condiții foarte dure și aproape nerealiste - mai ales când vine vorba de aer!)
Vom efectua calculul în programMS Excel sau în programOOo Calc.
Pentru formatarea culorii celulelor și fonturilor, consultați pagina "".
Date inițiale:
1. Scriem numele substanțelor:
la celula D3: Oţel
la celula E3: Gheaţă
în celula F3: Apa cu gheata
la celula G3: Apă
la celula G3: Aer
2. Introducem numele proceselor:
în celulele D4, E4, G4, G4: căldură
în celula F4: topire
3. Căldura specifică substanțe cîn J / (kg * K) scriem pentru oțel, gheață, apă și respectiv aer
la celula D5: 460
la celula E5: 2110
la celula G5: 4190
la celula H5: 1005
4. Căldura specifică de topire a gheții λ în J / kg intrăm
în celula F6: 330000
5. Masa substanțelor mîn kg intrăm, respectiv, pentru oțel și gheață
la celula D7: 3000
la celula E7: 20
Deoarece masa nu se schimbă atunci când gheața se transformă în apă, atunci
în celulele F7 și G7: = E7 =20
Găsim masa de aer după produsul volumului camerei și al greutății specifice
în celula H7: = 24 * 15 * 7 * 1,23 =3100
6. Timpul procesului tîn min scriem o singură dată pentru oțel
la celula D8: 60
Timpii pentru încălzirea gheții, topirea acesteia și încălzirea apei rezultate sunt calculate din condiția ca toate aceste trei procese să fie finalizate în același interval de timp în care este alocat pentru încălzirea metalului. Citim în consecință
în celula E8: = E12 / (($ E $ 12 + $ F $ 12 + $ G $ 12) / D8) =9,7
în celula F8: = F12 / (($ E $ 12 + $ F $ 12 + $ G $ 12) / D8) =41,0
în celula G8: = G12 / (($ E $ 12 + $ F $ 12 + $ G $ 12) / D8) =9,4
De asemenea, aerul trebuie să se încălzească în același timp alocat, citiți
în celula H8: = D8 =60,0
7. Temperatura inițială a tuturor substanțelor T1 în ˚C intrăm
la celula D9: -37
la celula E9: -37
la celula F9: 0
la celula G9: 0
la celula H9: -37
8. Temperatura finală a tuturor substanțelor T2 în ˚C intrăm
la celula D10: 18
la celula E10: 0
la celula F10: 0
la celula G10: 18
la celula H10: 18
Cred că nu ar trebui să existe întrebări cu privire la clauzele 7 și 8.
Rezultatele calculului:
9. Cantitatea de căldură Îîn KJ, calculăm necesarul pentru fiecare dintre procese
pentru încălzirea oțelului în celula D12: = D7 * D5 * (D10-D9) / 1000 =75900
pentru încălzirea gheții în compartimentul E12: = E7 * E5 * (E10-E9) / 1000 = 1561
pentru a topi gheața în celula F12: = F7 * F6 / 1000 = 6600
pentru încălzirea apei în celula G12: = G7 * G5 * (G10-G9) / 1000 = 1508
pentru încălzirea aerului în celula H12: = H7 * H5 * (H10-H9) / 1000 = 171330
Citim cantitatea totală de energie termică necesară pentru toate procesele
în celula fuzionată D13E13F13G13H13: = SUM (D12: H12) = 256900
În celulele D14, E14, F14, G14, H14 și în celula combinată D15E15F15G15H15, cantitatea de căldură este dată în unitatea de măsură a arcului - în Gcal (în giga calorii).
10. Putere termala Nîn kW, este necesar pentru fiecare dintre procese
pentru încălzirea oțelului în celula D16: = D12 / (D8 * 60) =21,083
pentru încălzirea gheții în celula E16: = E12 / (E8 * 60) = 2,686
pentru a topi gheața în celula F16: = F12 / (F8 * 60) = 2,686
pentru încălzirea apei în celula G16: = G12 / (G8 * 60) = 2,686
pentru încălzirea aerului în celula H16: = H12 / (H8 * 60) = 47,592
Puterea termică totală necesară pentru a finaliza toate procesele în timp t calculat
în celula combinată D17E17F17G17H17: = D13 / (D8 * 60) = 71,361
În celulele D18, E18, F18, G18, H18 și în celula combinată D19E19F19G19H19, puterea termică este dată în unitatea de măsură a arcului - în Gcal / oră.
Aceasta completează calculul în Excel.
Concluzii:
Rețineți că încălzirea aerului necesită mai mult de două ori mai multă energie decât încălzirea aceleiași mase de oțel.
La încălzirea apei, consumul de energie este de două ori mai mare decât la încălzirea gheții. Procesul de topire consumă de multe ori mai multă energie decât procesul de încălzire (cu o mică diferență de temperatură).
Apa încălzită consumă de zece ori mai multă energie termică decât încălzirea oțelului și de patru ori mai mult decât încălzirea aerului.
Pentru primind informații despre lansarea de articole noi si pentru descărcarea fișierelor programului de lucru Vă rog să vă abonați la anunțuri în fereastra aflată la sfârșitul articolului sau în fereastra din partea de sus a paginii.
După ce ați introdus adresa E-mailși făcând clic pe butonul „Primiți anunțuri despre articole” NU UITA A CONFIRMA ABONATI-VA făcând clic pe link într-o scrisoare care vă va veni imediat la e-mailul specificat (uneori - în dosar « Spam » )!
Ne-am amintit conceptele de „cantitate de căldură” și „putere termică”, am considerat formulele fundamentale pentru transferul de căldură și am analizat un exemplu practic. Sper că limba mea a fost simplă, clară și interesantă.
Aștept întrebări și comentarii la articol!
cere RESPECT fișierul de descărcare a lucrării autorului DUPĂ ABONARE pentru anunțuri de articole.
Calcul preliminar al suprafeței de încălzire a ambalajului.
Q în = V în * (i în // - i în /) * τ = 232231.443 * (2160-111.3) * 0,7 = 333,04 * 10 6 kJ / ciclu.
Diferența medie de temperatură logaritmică pe ciclu.
Viteza produselor de ardere (fum) = 2,1 m / s. Apoi viteza aerului la condiții normale:
6,538 m / s
Temperaturile medii ale aerului și fumului pentru perioada respectivă.
935 o C
680 o C
temperatura medie partea superioară a duzei în perioadele de fum și aer
Ciclează temperatura medie a vârfului duzei
Temperatura medie a fundului duzei în perioadele de fum și aer:
Ciclează temperatura medie a fundului duzei
Determinați valoarea coeficienților de transfer de căldură pentru partea superioară și inferioară a duzei. Pentru o duză de tipul acceptat cu o valoare de 2240
Viteza efectivă a fumului este determinată de formula W d = W la * (1 + βt d). Viteza reală a aerului la temperatura t în și presiunea aerului p în = 0,355 MN / m 2 (absolută) este determinată de formula
Unde 0.1013-MN / m 2 este presiunea în condiții normale.
Valoarea vâscozității cinematice ν și coeficientul de conductivitate termică λ pentru produsele de ardere sunt selectate din tabele. În acest caz, luăm în considerare faptul că valoarea lui λ depinde foarte puțin de presiune, iar la o presiune de 0,355 MN / m 2, valorile lui λ pot fi utilizate la o presiune de 0,1013 MN / m 2. Vâscozitatea cinematică a gazelor este invers proporțională cu presiunea; acea valoare a lui ν la o presiune de 0,1013 MN / m 2 este împărțită la raport.
Lungimea efectivă a fasciculului pentru duza bloc
= 0,0284 m
Pentru un ambalaj dat m 2 / m 3; ν = 0,7 m 3 / m 3; m 2 / m 2.
Calculele sunt rezumate în tabelul 3.1.
Tabelul 3.1 - Determinarea coeficienților de transfer de căldură pentru partea superioară și inferioară a duzei.
| Numele, valoarea și unitățile de măsură ale dimensiunilor | Formula de calcul | Estimare | Calcul rafinat | ||||
| top | fund | top | Fund | ||||
| fum | aer | fum | aer | aer | aer | ||
| Temperatura medie a aerului și a fumului în perioada 0 С | Conform textului | 1277,5 | 592,5 | 1026,7 | 355,56 | ||
| Coeficientul de conductivitate termică a produselor de ardere și a aerului l 10 2 W / (mgrad) | Conform textului | 13,405 | 8,101 | 7,444 | 5,15 | 8,18 | 5,19 |
| Vâscozitatea cinematică a produselor de ardere și a aerului g 10 6 m 2 / s | cerere | 236,5 | 52,6 | 92,079 | 18,12 | 53,19 | 18,28 |
| Definind diametrul canalului d, m | 0,031 | 0,031 | 0,031 | 0,031 | 0,031 | 0,031 | |
| Viteza reală a fumului și a aerului W m / s | Conform textului | 11,927 | 8,768 | 6,65 | 4,257 | 8,712 | 4,213 |
| Re | |||||||
| Nu | Conform textului | 12,425 | 32,334 | 16,576 | 42,549 | 31,88 | 41,91 |
| Coeficientul de transfer de căldură prin convecție a la W / m2 * deg | 53,73 | 84,5 | 39,804 | 70,69 | 84,15 | 70,226 | |
| 0,027 | - | 0,045 | - | - | - | ||
| 1,005 | - | 1,055 | - | - | - | ||
| Coeficientul de transfer al căldurii radiante a p W / m 2 * deg | 13,56 | - | 5,042 | - | - | - | |
| a W / m 2 * deg | 67,29 | 84,5 | 44,846 | 70,69 | 84,15 | 70,226 |
Capacitatea termică și conductivitatea termică a cărămizii l a ambalajului sunt calculate prin formulele:
С, kJ / (kg * deg) l, W / (mgrad)
Dinas 0,875 + 38,5 * 10 -5 * t 1,58 + 38,4 * 10 -5 t
Fireclay 0,869 + 41,9 * 10 -5 * t 1,04 + 15,1 * 10 -5 t
Demi-grosimea echivalentă a unei cărămizi este determinată de formulă
mm
Tabelul 3.2 - Cantitățile fizice ale materialului și coeficientul de acumulare a căldurii pentru jumătatea superioară și inferioară a ambalajului regenerativ
| Mărimi | Formula de calcul | Estimare | Calcul rafinat | |||
| top | fund | top | Fund | |||
| dinas | argila | dinas | argila | |||
| Temperatura medie, 0 С | Conform textului | 1143,75 | 471,25 | 1152,1 | 474,03 | |
| Densitatea în vrac, r kg / m 3 | Conform textului | |||||
| Coeficient de conductivitate termică l W / (mgrad) | Conform textului | 2,019 | 1,111 | 2,022 | 1,111 | |
| Capacitate termică С, kJ / (kg * deg) | Conform textului | 1,315 | 1,066 | 1,318 | 1,067 | |
| Coeficientul de difuzivitate termică a, m 2 / oră | 0,0027 | 0,0018 | 0,0027 | 0,0018 | ||
| F 0 S | 21,704 | 14,59 | 21,68 | 14,58 | ||
| Coeficientul de acumulare a căldurii h la |  | 0,942 | 0,916 | 0,942 | 0,916 | |
După cum este evident din tabel, valoarea h k>, adică cărămizile sunt utilizate în raport termic pentru întreaga lor grosime. În consecință, la cele de mai sus, luăm valoarea coeficientului de histerezis termic pentru partea superioară a duzei x = 2.3, pentru partea inferioară x = 5.1.
Apoi, coeficientul total de transfer de căldură este calculat prin formula:
pentru partea superioară a duzei
58,025 kJ / (m 2 ciclu * deg)
pentru fundul duzei
60,454 kJ / (m 2 ciclu * deg)
Media pentru duza în ansamblu
59.239 kJ / (m 2 ciclu * deg)
Suprafața de încălzire a duzei
22093,13 m 2
Volumul duzei
= 579,87 m 3
Secțiunea transversală orizontală a duzei în zona liberă
= 9.866 m 2
Cercetările efectuate la începutul anilor 1940-1950 au făcut posibilă dezvoltarea unui număr de soluții aerodinamice și tehnologice care să asigure trecerea în siguranță a barierei sonore chiar și de către aeronavele de serie. Apoi, se părea că cucerirea barierei sonore creează posibilități nelimitate de creștere a vitezei de zbor. În doar câțiva ani, au fost zburate aproximativ 30 de tipuri de aeronave supersonice, dintre care un număr semnificativ au fost puse în producție de masă.
Varietatea soluțiilor utilizate a dus la faptul că multe dintre problemele asociate zborurilor la viteze supersonice mari au fost studiate și rezolvate în mod cuprinzător. Cu toate acestea, au fost întâmpinate probleme noi, mult mai complexe decât bariera sunetului. Acestea sunt cauzate de încălzirea structurii. aeronave când zburați cu viteză mare în straturile dense ale atmosferei. Acest nou obstacol a fost numit odată bariera termică. Spre deosebire de bariera sonoră, noua barieră nu poate fi caracterizată printr-o constantă, asemănătoare cu viteza sunetului, deoarece depinde atât de parametrii de zbor (viteza și altitudine), cât și de designul structurii aeronavei (soluțiile de proiectare și materialele utilizate), precum și de echipamente pentru aeronave (aer condiționat, sisteme de răcire etc.). P.). Astfel, conceptul de „barieră termică” include nu numai problema încălzirii periculoase a structurii, ci și probleme precum transferul de căldură, proprietățile de rezistență ale materialelor, principiile de proiectare, aerul condiționat etc.
Încălzirea aeronavei în zbor are loc în principal din două motive: de la decelerarea aerodinamică a fluxului de aer și de la eliberarea de căldură a sistemului de propulsie. Ambele fenomene constituie procesul de interacțiune între mediu (aer, gaze de eșapament) și un corp solid simplificat (aeronavă, motor). Al doilea fenomen este tipic pentru toate aeronavele și este asociat cu o creștere a temperaturii elementelor structurale ale motorului, care primesc căldură din aerul comprimat în compresor, precum și din produsele de ardere din cameră și conducta de evacuare. Când zburați la viteze mari, încălzirea internă a aeronavei are loc și din aerul decelerat în canalul de aer din fața compresorului. Când zburați la viteze mici, aerul care trece prin motor are o temperatură relativ scăzută, drept urmare nu are loc încălzirea periculoasă a elementelor structurale ale cadrului aeronavei. La viteze mari de zbor, limitarea încălzirii structurii cadrului aerian de la elementele motorului fierbinte este asigurată de răcirea suplimentară cu aer la temperatură scăzută. De obicei, se folosește aer care este îndepărtat de la admisia de aer folosind un ghid care separă stratul limită, precum și aer captat din atmosferă folosind prize suplimentare situate pe suprafața nacelei motorului. La motoarele cu dublu circuit, aerul din circuitul extern (rece) este, de asemenea, utilizat pentru răcire.
Astfel, nivelul barierei termice pentru aeronavele supersonice este determinat de încălzirea aerodinamică externă. Intensitatea încălzirii suprafeței într-un curent de aer depinde de viteza de zbor. La viteze mici, această încălzire este atât de neglijabilă încât creșterea temperaturii poate să nu fie luată în considerare. La viteză mare, fluxul de aer are energie cinetică mare și, prin urmare, creșterea temperaturii poate fi semnificativă. Acest lucru se aplică și temperaturii din interiorul aeronavei, deoarece debitul de mare viteză, decelerat în admisia de aer și comprimat în compresorul motorului, devine atât de fierbinte încât nu este capabil să îndepărteze căldura din părțile fierbinți ale motorului.
O creștere a temperaturii pielii aeronavei ca urmare a încălzirii aerodinamice este cauzată de vâscozitatea aerului care curge în jurul aeronavei, precum și de compresia acesteia pe suprafețele frontale. Datorită pierderii de viteză de către particulele de aer din stratul limită ca urmare a frecării vâscoase, temperatura întregii suprafețe aerodinamice crește. Ca urmare a comprimării aerului, temperatura crește, însă, doar local (acesta este în principal nasul fuselajului, parbrizul cabinei și mai ales marginile anterioare ale aripii și ale empenajului), dar mai des atinge valori care sunt nesigure pentru structură. În acest caz, în unele locuri există o coliziune aproape directă a fluxului de aer cu suprafața și o frânare dinamică completă. În conformitate cu principiul conservării energiei, toată energia cinetică a fluxului este convertită în energie de căldură și presiune. Creșterea corespunzătoare a temperaturii este direct proporțională cu pătratul vitezei de curgere înainte de decelerare (sau, cu excepția vântului, cu pătratul vitezei avionului) și invers proporțională cu altitudinea de zbor.
Teoretic, dacă debitul este constant, vremea este calmă și fără nori și nu există transfer de căldură prin radiații, atunci căldura nu pătrunde în structură, iar temperatura pielii este apropiată de așa-numita temperatură de frânare adiabatică. Dependența sa de numărul Mach (viteză și altitudine de zbor) este dată în tabel. patru.
În condițiile reale, creșterea temperaturii pielii aeronavei de la încălzirea aerodinamică, adică diferența dintre temperatura de stagnare și temperatura ambiantă, se dovedește a fi ceva mai mică datorită schimbului de căldură cu mediul (prin intermediul radiației), elemente structurale învecinate etc. În plus, decelerarea completă a fluxului are loc numai în așa-numitele puncte critice situate pe părțile proeminente ale aeronavei, iar fluxul de căldură către piele depinde și de natura stratului limită de aer (este mai intens pentru un strat limită turbulent). O scădere semnificativă a temperaturii are loc și atunci când zboară printre nori, mai ales atunci când conțin picături de apă răcite și cristale de gheață. Pentru astfel de condiții de zbor, se presupune că scăderea temperaturii pielii la punctul critic în comparație cu temperatura teoretică de stagnare poate ajunge chiar la 20-40%.
Tabelul 4. Dependența temperaturii pielii de numărul Mach
Cu toate acestea, încălzirea generală a unei aeronave în zbor la viteze supersonice (în special la altitudini mici) este uneori atât de mare încât o creștere a temperaturii elementelor individuale ale cadrului aerian și a echipamentului duce fie la distrugerea lor, fie, cel puțin, la trebuie să schimbați modul de zbor. De exemplu, atunci când investigați aeronava XB-70A în zboruri la altitudini mai mari de 21 000 m la o viteză de M = 3, temperatura marginilor anterioare ale admisiei de aer și ale marginilor anterioare ale aripii a fost de 580-605 K, iar restul pielii a fost de 470-500 K. până la valori atât de mari pot fi pe deplin apreciate dacă ținem cont de faptul că chiar și la temperaturi de aproximativ 370 K sticla organică se înmoaie, utilizată în mod obișnuit pentru vitrarea cabinelor, fierbe combustibil , iar lipiciul obișnuit își pierde puterea. La 400 K, rezistența duraluminului este semnificativ redusă, la 500 K descompunerea chimică a fluidului de lucru în sistemul hidraulic și are loc distrugerea etanșărilor, la 800 K aliajele de titan pierd proprietățile mecanice necesare, la temperaturi peste 900 K aluminiu și magneziu se topește și oțelul se înmoaie. O creștere a temperaturii duce, de asemenea, la distrugerea acoperirilor, dintre care anodizarea și placarea cromată pot fi utilizate până la 570 K, placarea cu nichel până la 650 K și placarea cu argint până la 720 K.
După apariția acestui nou obstacol în calea creșterii vitezei de zbor, cercetările au început cu scopul eliminării sau atenuării consecințelor sale. Modalitățile de a proteja aeronava de efectele încălzirii aerodinamice sunt determinate de factori care împiedică creșterea temperaturii. Pe lângă altitudinea zborului și condițiile atmosferice, o influență semnificativă asupra gradului de încălzire a aeronavelor este exercitată de:
- coeficientul de conductivitate termică a materialului pielii;
- dimensiunea suprafeței (în special a frontalei) aeronavei; -timp de zbor.
Prin urmare, rezultă că cele mai simple modalități de a reduce încălzirea structurii sunt creșterea altitudinii de zbor și limitarea duratei acesteia la minimum. Aceste metode au fost utilizate în prima aeronavă supersonică (în special în cele experimentale). Datorită conductivității termice și a capacității termice destul de ridicate a materialelor utilizate pentru fabricarea elementelor termoizolate ale structurii aeronavei, din momentul în care aeronava atinge viteza mare până la momentul încălzirii elementelor structurale individuale temperatura de proiectare punctul critic durează de obicei mult timp. La zborurile care durează câteva minute (nici măcar altitudini mari), temperaturile distructive nu sunt atinse. Zborul la altitudini mari are loc în condiții de temperatură scăzută (aproximativ 250 K) și densitate scăzută a aerului. Ca rezultat, cantitatea de căldură degajată de fluxul către suprafețele aeronavei este mică, iar schimbul de căldură durează mai mult, ceea ce atenuează semnificativ problema. Un rezultat similar se obține prin limitarea vitezei aeronavei la altitudini mici. De exemplu, în timpul zborului peste sol la o viteză de 1600 km / h, puterea duraluminului scade cu doar 2%, iar o creștere a vitezei la 2400 km / h duce la o scădere a puterii sale cu până la 75% în comparație cu valoarea inițială.
Smochin. 1.14. Distribuția temperaturii în canalul de aer și în motorul avionului Concorde în timpul zborului cu M = 2.2 (a) și temperatura învelișului avionului XB-70A în timpul zborului cu viteza constanta 3200 km / h (b).
Cu toate acestea, necesitatea de a asigura condiții de funcționare sigure în întreaga gamă de viteze și altitudini de zbor utilizate îi obligă pe proiectanți să caute mijloace tehnice adecvate. Deoarece încălzirea elementelor structurale ale aeronavelor determină o scădere a proprietăților mecanice ale materialelor, apariția tensiunilor termice în structură, precum și o deteriorare a condițiilor de lucru ale echipajului și echipamentelor, astfel de mijloace tehnice utilizate în practica actuală poate fi împărțit în trei grupe. În consecință, acestea includ utilizarea de 1) materiale rezistente la căldură, 2) soluții de proiectare care asigură izolația termică necesară și deformarea admisibilă a pieselor și 3) sisteme de răcire pentru cabina de pilotaj și compartimentele echipamentelor.
În avioanele cu o viteză maximă de M = 2.0-1-2.2, aliajele de aluminiu (duralumin) sunt utilizate pe scară largă, care se caracterizează prin rezistență relativ ridicată, densitate redusă și proprietăți de conservare a rezistenței cu o ușoară creștere a temperaturii. Duratele sunt de obicei completate cu aliaje de oțel sau titan, din care sunt fabricate părți ale cadrului aerian care sunt expuse la cele mai mari sarcini mecanice sau termice. Aliajele de titan au fost utilizate deja în prima jumătate a anilor '50, mai întâi la o scară foarte mică (acum părți din ele pot reprezenta până la 30% din masa aeronavelor). În aeronavele experimentale cu M ~ 3, devine necesară utilizarea aliajelor de oțel rezistente la căldură ca principal material structural. Astfel de oțeluri păstrează proprietăți mecanice bune la temperaturi ridicate tipice zborurilor hipersonice, dar dezavantajele lor sunt costul ridicat și densitatea mare. Aceste neajunsuri, într-un anumit sens, limitează dezvoltarea aeronavelor de mare viteză, astfel că sunt cercetate și alte materiale.
În anii 70, s-au efectuat primele experimente de utilizare a beriliului în construcția avioanelor, precum și a materialelor compozite pe bază de bor sau fibre de carbon. Aceste materiale au încă un cost ridicat, dar în același timp sunt caracterizate prin densitate redusă, rezistență și rigiditate ridicate, precum și rezistență semnificativă la căldură. Exemple de aplicații specifice ale acestor materiale în construcția de aeronave sunt date în descrierile aeronavelor individuale.
Un alt factor care afectează semnificativ performanța structurii aeronavei încălzite este efectul așa-numitelor solicitări termice. Ele apar ca urmare a diferențelor de temperatură dintre suprafețele externe și interne ale elementelor, și în special între piele și elementele structurale interne ale aeronavei. Încălzirea suprafeței aeronavei duce la deformarea elementelor sale. De exemplu, poate apărea deformarea pielii aripii, ceea ce va duce la o schimbare a caracteristicilor aerodinamice. Prin urmare, în multe aeronave se folosește un strat multistrat brazat (uneori lipit), care se caracterizează prin rigiditate ridicată și proprietăți izolante bune, sau se utilizează elemente ale structurii interne cu compensatoare adecvate (de exemplu, în aeronava F-105, pereții laterali sunt realizați din tablă ondulată). Există, de asemenea, experimente cunoscute privind răcirea aripilor cu combustibil (de exemplu, în aeronava X-15) care curge sub piele pe drumul din rezervor către duzele camerei de ardere. Cu toate acestea, la temperaturi ridicate, combustibilul suferă de obicei cocsare, astfel încât astfel de experimente pot fi considerate nereușite.
În prezent sunt cercetate diverse metode, inclusiv aplicarea unui strat izolator de materiale refractare prin pulverizare cu plasmă. Alte metode considerate promițătoare nu și-au găsit aplicarea. Printre altele, s-a propus utilizarea unui „strat protector” creat prin suflarea gazului pe piele, răcirea prin „transpirația” prin alimentarea unui lichid cu o temperatură ridicată de evaporare la suprafață printr-o piele poroasă și răcirea creată prin topire și antrenarea unei părți a pielii (materiale de ablație).
O sarcină destul de specifică și în același timp foarte importantă este menținerea temperaturii adecvate în habitaclu și în compartimentele echipamentelor (în special electronice), precum și temperatura combustibilului și sisteme hidraulice... În prezent, această problemă este rezolvată prin utilizarea sistemelor performante de climatizare, răcire și refrigerare, izolație termică eficientă, utilizarea fluidelor de lucru ale sistemelor hidraulice cu o temperatură ridicată de evaporare etc.
Problemele de barieră termică trebuie abordate într-un mod cuprinzător. Orice progres în acest domeniu împinge bariera pentru acest tip de aeronave către o viteză de zbor mai mare, fără a o exclude ca atare. Cu toate acestea, urmărirea unor viteze și mai mari duce la crearea unor structuri și echipamente și mai complexe, necesitând utilizarea unor materiale de calitate superioară. Acest lucru are un impact semnificativ asupra greutății, costurilor de achiziție și costurilor de operare și întreținere a aeronavelor.
Din cele date în tabel. 2 dintre aceste avioane de luptă, se poate observa că, în majoritatea cazurilor, a fost considerat rațional viteza maxima 2200-2600 km / h. Doar în unele cazuri se consideră că viteza unei aeronave ar trebui să depășească M ~ 3. Avioanele capabile să dezvolte astfel de viteze includ aeronavele experimentale X-2, XB-70A și T. 188, aeronava de recunoaștere SR-71 și Avioane E-266.
1* Refrigerarea este transferul forțat de căldură dintr-o sursă rece într-un mediu cu temperaturi ridicate, în timp ce se opune în mod artificial direcției naturale a mișcării căldurii (de la un corp cald la unul rece, când are loc procesul de răcire). Cel mai simplu frigider este un frigider de uz casnic.