Kada sunce jače grije - kada je više iznad vaše glave ili kada je niže?
Sunce grije kad je više. U tom slučaju sunčeve zrake padaju pod pravim kutom, ili blizu pravog kuta.
Koje vrste rotacije Zemlje poznajete?
Zemlja se okreće oko svoje osi i oko Sunca.
Zašto se ciklus dana i noći događa na Zemlji?
Smjena dana i noći rezultat je osne rotacije Zemlje.
Odredi koliko se razlikuje upadni kut sunčevih zraka 22. lipnja i 22. prosinca na paralelama 23,5° N. w. i Yu. sh.; na paralelama 66,5° N. w. i Yu. w.
22. lipnja upadni kut sunčevih zraka na paraleli 23,50 s. š. 900, S. – 430. Na paraleli 66.50 s.š. – 470, 66,50 S. – kut klizanja.
Dana 22. prosinca upadni kut sunčevih zraka na paralelu iznosi 23,50 N. 430, S. – 900. Na paraleli 66.50 s.š. – kut klizanja 66,50 S. – 470.
Razmislite zašto najtopliji i najhladniji mjeseci nisu lipanj i prosinac, kada sunčeve zrake imaju najveći i najmanji upadni kut Zemljina površina.
Atmosferski zrak zagrijava zemljina površina. Stoga se u lipnju zemljina površina zagrijava, a temperatura doseže svoj maksimum u srpnju. Ista stvar se događa zimi. U prosincu se zemljina površina hladi. Zrak se u siječnju hladi.
Definirati:
prosječna dnevna temperatura na temelju četiri mjerenja dnevno: -8°C, -4°C, +3°C, +1°C.
Prosječna dnevna temperatura je -20C.
prosjek godišnja temperatura Moskva, koristeći tablične podatke.
Prosječna godišnja temperatura je 50C.
Odredite dnevni raspon temperature za očitanja termometra na slici 110, c.
Temperaturna amplituda na slici je 180C.
Odredite za koliko je stupnjeva godišnja amplituda u Krasnojarsku veća nego u St. Petersburgu, ako Prosječna temperatura Srpanj u Krasnojarsku +19°C, a siječanj - -17°C; u St. Petersburgu +18°C odnosno -8°C.
Raspon temperature u Krasnojarsku je 360C.
Raspon temperature u St. Petersburgu je 260C.
Temperaturni raspon u Krasnojarsku je 100C veći.
Pitanja i zadaci
1. Kako se atmosferski zrak zagrijava?
Propuštajući sunčeve zrake, atmosfera se od njih gotovo ne zagrijava. Zemljina se površina zagrijava i sama postaje izvor topline. Iz toga se zagrijava atmosferski zrak.
2. Za koliko stupnjeva opada temperatura u troposferi sa svakih 100 m porasta?
Kako se penjete prema gore, svaki kilometar temperatura zraka pada za 6 0C. Dakle, za 0,60 na svakih 100 m.
3. Izračunajte temperaturu zraka izvan zrakoplova ako je visina leta 7 km, a temperatura na površini Zemlje +200C.
Temperatura tijekom uspona od 7 km pasti će za 420. To znači da će temperatura izvan aviona biti -220.
4. Je li moguće ljeti pronaći ledenjak u planinama na visini od 2500 m ako je temperatura u podnožju planina +250C?
Temperatura na visini od 2500 m bit će +100C. Ledenjak se neće naći na visini od 2500 m.
5. Kako i zašto se mijenja temperatura zraka tijekom dana?
Tijekom dana sunčeve zrake obasjavaju zemljinu površinu i zagrijavaju je, čime se zagrijava i zrak. Noćni dolazak solarna energija prestaje, a površina se zajedno sa zrakom postupno hladi. Sunce je najviše iznad horizonta u podne. Tada dolazi najviše sunčeve energije. Međutim, najviša temperatura se opaža 2-3 sata nakon podneva, jer je potrebno vrijeme za prijenos topline sa Zemljine površine u troposferu. Najniža temperatura javlja se prije izlaska sunca.
6. Što određuje razliku u zagrijavanju Zemljine površine tijekom godine?
Tijekom godine, na istom području, sunčeve zrake padaju na površinu na različite načine. Kad je upadni kut zraka okomitiji, površina dobiva više sunčeve energije, temperatura zraka raste i počinje ljeto. Kada su sunčeve zrake više nagnute, površina se slabo zagrijava. Temperatura zraka u to vrijeme pada i dolazi zima. Najtopliji mjesec na sjevernoj hemisferi je srpanj, a najhladniji mjesec januar. U Južna polutka- naprotiv: najhladniji mjesec u godini je srpanj, a najtopliji siječanj.
2005-08-16U nizu slučajeva moguće je značajno smanjiti kapitalne i operativne troškove osiguravanjem autonomnog grijanja prostorija toplim zrakom na temelju korištenja generatora topline koji rade na plin ili tekuće gorivo. U takvim jedinicama ne zagrijava se voda, već zrak - svježi dovod, recirkulacija ili miješani. Ova metoda je posebno učinkovita za osiguranje autonomnog grijanja industrijskih prostora, izložbenih dvorana, radionica, garaža, stanica Održavanje, autopraonice, filmski studiji, skladišta, javne zgrade, teretane, supermarketi, staklenici, plastenici, stočni kompleksi, farme peradi itd.
Prednosti grijanja zraka
Mnogo je prednosti zračnog načina grijanja u odnosu na tradicionalni način grijanja vode u velikim prostorijama, a navest ćemo samo glavne:
- Ekonomičan. Toplina se proizvodi izravno u grijanoj prostoriji i gotovo se u potpunosti koristi za namjeravanu svrhu. Zahvaljujući izravnom izgaranju goriva bez srednjeg rashladnog sredstva, postiže se visoka toplinska učinkovitost cijelog sustava grijanja: 90-94% za rekuperativne grijače i gotovo 100% za izravne sustave grijanja. Korištenje programabilnih termostata pruža mogućnost dodatne uštede od 5 do 25% toplinske energije zahvaljujući funkciji "standby mode" - automatsko održavanje sobne temperature tijekom neradnog vremena na razini od +5-7°C.
- Mogućnost “uključivanja” ventilacije svježim zrakom. Nije tajna da danas u većini poduzeća dovodna ventilacija ne radi ispravno, što značajno pogoršava radne uvjete ljudi i utječe na produktivnost rada. Generatori topline ili izravni sustavi grijanja zagrijavaju zrak za ∆t do 90°C - to je sasvim dovoljno da "natjera" dovodnu ventilaciju i u Daleko na sjever. Dakle, grijanje zraka podrazumijeva ne samo ekonomsku učinkovitost, već i poboljšanje ekološke situacije i radnih uvjeta.
- Niska inercija. Jedinice sustava grijanja zraka postižu način rada za nekoliko minuta, a zbog velikog protoka zraka prostorija se potpuno zagrijava za samo nekoliko sati. To omogućuje brzo i fleksibilno manevriranje kada se potrebe za toplinom promijene.
- Nedostatak srednjeg rashladnog sredstva omogućuje odustajanje od izgradnje i održavanja sustava grijanja vode, kotlovnice, grijanja i stanice za pročišćavanje vode koja je neučinkovita za velike prostore. Gubici u grijaćim mrežama i njihovi popravci su eliminirani, što vam omogućuje dramatično smanjenje operativnih troškova. U zimsko vrijeme Ne postoji opasnost od odmrzavanja grijača zraka i sustava grijanja u slučaju duljeg prekida rada sustava. Hlađenje čak i do dubokih minus temperatura ne dovodi do odmrzavanja sustava.
- Visoki stupanj automatizacije omogućuje stvaranje točno one količine topline koja je potrebna. U kombinaciji s visokom pouzdanošću plinske opreme, to značajno povećava sigurnost sustava grijanja, a za njegov rad dovoljan je minimum osoblja za održavanje.
- Niski troškovi. Metoda grijanja velikih prostorija pomoću generatora topline jedna je od najjeftinijih i najbržih za implementaciju. Kapitalni troškovi za izgradnju ili renoviranje zračni sustav, u pravilu, znatno je niži od troškova organiziranja vode ili grijanja zračenjem. Razdoblje povrata kapitalnih troškova obično ne prelazi jednu ili dvije sezone grijanja.
Ovisno o zadacima koji se rješavaju, u sustavima grijanja zraka mogu se koristiti različite vrste grijača. U ovom ćemo članku razmotriti samo jedinice koje rade bez upotrebe srednjeg rashladnog sredstva - rekuperativne grijače zraka (s izmjenjivačem topline i ispuhom produkata izgaranja izvana) i izravne sustave grijanja zraka (grijači zraka za miješanje plina).
Rekuperativni grijači zraka
U jedinicama ovog tipa, gorivo pomiješano s potrebnom količinom zraka dovodi se pomoću plamenika u komoru za izgaranje. Nastali produkti izgaranja prolaze kroz dvo- ili troprolazni izmjenjivač topline. Toplina dobivena izgaranjem goriva prenosi se na zagrijani zrak kroz stijenke izmjenjivača topline, a dimni plinovi se odvode van kroz dimnjak (slika 1) - zbog toga se nazivaju generatori topline "indirektnog grijanja".
Grijači zraka s rekuperacijom mogu se koristiti ne samo izravno za grijanje, već i kao dio dovodnog ventilacijskog sustava, kao i za zagrijavanje procesnog zraka. Nazivna toplinska snaga takvih sustava je od 3 kW do 2 MW. Zagrijani zrak dovodi se u prostoriju preko ugrađenog ili daljinskog ventilatora, što omogućuje korištenje uređaja kako za izravno zagrijavanje zraka s njegovim ispuštanjem kroz žaluzijske rešetke, tako i za zračne kanale.
Pranjem komore za izgaranje i izmjenjivača topline, zrak se zagrijava i usmjerava direktno u grijanu prostoriju kroz rešetke za distribuciju zraka smještene u gornjem dijelu, ili se distribuira kroz sustav zračnih kanala. Automatizirani blok plamenik nalazi se na prednjem dijelu generatora topline (slika 2).
Izmjenjivači topline modernih grijača zraka obično su izrađeni od nehrđajućeg čelika (ložište je od čelika otpornog na toplinu) i traju od 5 do 25 godina, nakon čega se mogu popraviti ili zamijeniti. Učinkovitost modernih modela doseže 90-96%. Glavna prednost rekuperativnih grijača zraka je njihova svestranost.
Mogu raditi na prirodni ili ukapljeni plin, dizelsko gorivo, naftu, lož ulje ili otpadno ulje – potrebno je samo promijeniti plamenik. Moguće je raditi sa svježim zrakom, sa mješavinom unutrašnjeg zraka iu režimu pune recirkulacije. Takav sustav dopušta neke slobode, na primjer, mijenjanje protoka zagrijanog zraka, "u hodu" preraspodjelu protoka zagrijanog zraka na različite grane zračnih kanala pomoću posebnih ventila.
Ljeti grijači zraka s rekuperacijom mogu raditi u načinu ventilacije. Jedinice se postavljaju okomito i vodoravno, na pod, zid ili ugrađene u sekcijsku ventilacijsku komoru kao dio grijača.
Grijači zraka s rekuperacijom mogu se koristiti čak i za grijanje prostorija visoke kategorije udobnosti, ako se sama jedinica premjesti izvan neposrednog servisnog područja.
Glavni nedostaci:
- Veliki i složeni izmjenjivač topline povećava cijenu i težinu sustava u usporedbi s grijačima zraka s miješanjem;
- Zahtijevaju dimnjak i odvod kondenzata.
Sustavi izravnog grijanja zraka
Moderne tehnologije omogućio je postizanje tako čistog izgaranja prirodnog plina da je postalo moguće proizvode izgaranja ne ispuštati "u dimnjak", već ih koristiti za izravno zagrijavanje zraka u sustavima dovodne ventilacije. Plin koji ulazi u proces izgaranja potpuno izgara u struji zagrijanog zraka i, miješajući se s njim, predaje mu svu toplinu.
Ovaj princip je implementiran u niz sličnih dizajna plamenika s rampom u SAD-u, Engleskoj, Francuskoj i Rusiji i uspješno se koristi od 60-ih godina 20. stoljeća u mnogim poduzećima u Rusiji i inozemstvu. Na principu ultra čistog izgaranja prirodnog plina direktno u struji zagrijanog zraka proizvode se grijači zraka za miješanje plina tipa STV (STARVEINE - “zvjezdani vjetar”) nazivne toplinske snage od 150 kW do 21 MW.
Sama tehnologija organizacije izgaranja, kao i visok stupanj razrjeđivanja produkata izgaranja, omogućuje dobivanje čistog toplog zraka u instalacijama u skladu sa svim važećim standardima, praktički bez štetnih nečistoća (ne više od 30% maksimalne dopuštena koncentracija). Grijači zraka STV (slika 3) sastoje se od modularne jedinice plamenika smještene unutar kućišta (odjeljak zračnog kanala), plinovoda DUNGS (Njemačka) i sustava automatizacije.
Kućište je obično opremljeno hermetičkim vratima radi lakšeg održavanja. Blok plamenika, ovisno o potrebnoj toplinskoj snazi, sastoji se od potrebna količina sekcije plamenika različitih konfiguracija. Automatizacija grijača omogućuje glatko automatsko pokretanje prema ciklogramu, kontrolu parametara sigurnog rada i mogućnost glatke regulacije toplinske snage (1:4), što vam omogućuje automatsko održavanje potrebne temperature zraka u grijanoj prostoriji.
Primjena grijača zraka za miješanje plinova
Njihova glavna namjena je izravno zagrijavanje svježeg dovodnog zraka koji se dovodi u proizvodne prostorije radi kompenzacije ispušna ventilacija a time i poboljšanje uvjeta rada ljudi.
Za prostorije s visokom razmjenom zraka, preporučljivo je kombinirati sustav dovodne ventilacije i sustav grijanja - u tom pogledu sustavi izravnog grijanja nemaju konkurenciju u pogledu omjera cijene i kvalitete. Grijači zraka za miješanje plina namijenjeni su za:
- autonomno grijanje zraka prostorija za razne namjene s velikom izmjenom zraka (K zasjenjeno, 5);
- grijanje zraka u zračno-toplinskim zavjesama zatvorenog tipa, moguća kombinacija sa sustavima grijanja i dovodne ventilacije;
- Sustavi predgrijanja za automobilske motore na negrijanim parkiralištima;
- zagrijavanje i odmrzavanje automobila, spremnika, automobila, rasutih materijala, zagrijavanje i sušenje proizvoda prije bojanja ili druge vrste obrade;
- izravno grijanje atmosferski zrak ili sredstvo za sušenje u raznim instalacijama za grijanje i sušenje procesa, na primjer, sušenje žitarica, trave, papira, tekstila, drva; primjena u komorama za lakiranje i sušenje nakon lakiranja itd.
Smještaj
Mješajući grijači mogu se ugraditi u zračne kanale dovodnih ventilacijskih sustava i toplinskih zavjesa te u zračne kanale sušara - kako u horizontalnim tako iu vertikalnim presjecima. Može se montirati na pod ili platformu, ispod stropa ili na zid. Obično se postavljaju u dovodne i ventilacijske komore, ali se mogu ugraditi i izravno u grijanu prostoriju (prema kategoriji).
Na dodatna oprema odgovarajući elementi mogu služiti sobama kategorija A i B. Recirkulacija unutarnjeg zraka kroz grijače zraka za miješanje je nepoželjna - moguće je značajno smanjenje razine kisika u prostoriji.
Snage izravni sustavi grijanja
Jednostavnost i pouzdanost, niska cijena i učinkovitost, mogućnost zagrijavanja na visoke temperature, visok stupanj automatizacije, glatka kontrola, ne zahtijevaju dimnjak. Izravno grijanje je najekonomičniji način - učinkovitost sustava je 99,96%. Razina specifičnih kapitalnih troškova za sustav grijanja koji se temelji na jedinici izravnog grijanja u kombinaciji s prisilnom ventilacijom najniža je s najvišim stupnjem automatizacije.
Grijači zraka svih vrsta opremljeni su automatskim sigurnosnim i kontrolnim sustavom koji osigurava gladak početak, održavanje načina grijanja i isključivanje u slučaju hitne situacije. U svrhu uštede energije, moguće je opremiti grijače zraka s automatskom regulacijom uzimajući u obzir vanjsku i regulaciju unutarnje temperature, funkcije dnevnih i tjednih načina programiranja grijanja.
Također je moguće uključiti parametre sustava grijanja, koji se sastoji od više jedinica grijanja, u centralizirani sustav upravljanja i dispečerstva. U tom će slučaju operater-dispečer imati operativne informacije o radu i stanju grijaćih jedinica, jasno prikazane na monitoru računala, a također će kontrolirati njihov način rada izravno iz daljinskog upravljačkog centra.
Mobilni generatori topline i toplinski topovi
Dizajniran za privremenu upotrebu - na gradilištima, za grijanje u izvansezonskim razdobljima, procesno grijanje. Mobilni generatori topline i toplinski topovi rade na propan (ukapljeni plin u bocama), dizelsko gorivo ili kerozin. Mogu se ili izravno grijati ili s uklanjanjem produkata izgaranja.
Vrste autonomnih sustava grijanja zraka
Za autonomnu opskrbu toplinom različitih prostorija koriste se različite vrste sustava grijanja zraka - s centraliziranom distribucijom topline i decentralizirano; sustavi koji u potpunosti rade na dovod svježeg zraka ili s potpunom/djelomičnom recirkulacijom unutarnjeg zraka.
U decentraliziranim sustavima grijanja zraka grijanje i cirkulaciju zraka u prostoriji provode autonomni generatori topline smješteni u različitim područjima ili radnim područjima - na podu, zidu i ispod krova. Zrak iz grijača dovodi se izravno u radni prostor prostorije. Ponekad, za bolju raspodjelu toplinskih tokova, generatori topline opremljeni su malim (lokalnim) sustavima zračnih kanala.
Jedinice u ovoj izvedbi karakterizira minimalna snaga motora ventilatora, pa su decentralizirani sustavi ekonomičniji u pogledu potrošnje energije. Također je moguće koristiti zračno-toplinske zavjese kao dio sustava grijanja zraka ili dovodne ventilacije.
Mogućnost lokalne regulacije i korištenja generatora topline po potrebi - po zonama, u različita vremena— omogućuje značajno smanjenje troškova goriva. Međutim, kapitalni troškovi implementacije ove metode su nešto veći. U sustavima s centraliziranom distribucijom topline koriste se jedinice za grijanje zraka; Topli zrak koji proizvode ulazi u radna područja kroz sustav zračnih kanala.
Instalacije se u pravilu ugrađuju u postojeće ventilacijske komore, ali ih je moguće postaviti i izravno u grijanu prostoriju - na pod ili na platformu.
Primjena i postavljanje, izbor opreme
Svaka od gore navedenih vrsta grijaćih jedinica ima svoje neporecive prednosti. A nema gotovog recepta u kojem slučaju koji je prikladniji - ovisi o mnogo čimbenika: količini izmjene zraka u odnosu na količinu toplinskog gubitka, kategoriji prostorije, dostupnosti slobodan prostor za postavljanje opreme, ovisno o financijskim mogućnostima. Pokušajmo stvoriti najviše generalni principi odgovarajući izbor opreme.
1. Sustavi grijanja za prostorije s malom izmjenom zraka (izmjena zraka ≤ sjena.5-1)
Pretpostavlja se da je ukupna toplinska snaga generatora topline u ovom slučaju gotovo jednaka količini topline potrebnoj za nadoknadu toplinskih gubitaka prostorije; ventilacija je relativno mala, pa je preporučljivo koristiti sustav grijanja temeljen na neizravnom grijani generatori topline s potpunom ili djelomičnom recirkulacijom unutarnjeg zraka u prostoriji.
Ventilacija u takvim prostorijama može biti prirodna ili mješavinom uličnog i recirkuliranog zraka. U drugom slučaju, snaga grijača se povećava za količinu dovoljnu za zagrijavanje svježeg dovodnog zraka. Takav sustav grijanja može biti lokalni, s podnim ili zidnim generatorima topline.
Ako je nemoguće postaviti instalaciju u grijanu prostoriju ili kada organizirate servisiranje nekoliko prostorija, možete koristiti sustav centraliziranog tipa: postavite generatore topline u ventilacijsku komoru (aneks, na polukatu, u susjednoj prostoriji) i distribuirajte topline kroz zračne kanale.
Tijekom radnog vremena generatori topline mogu raditi u djelomičnom recirkulacijskom režimu, istovremeno zagrijavajući miješani dovodni zrak; u neradno vrijeme neki od njih se mogu isključiti, a ostali se mogu prebaciti u ekonomično stanje pripravnosti +2-5 °C s punom recirkulacijom.
2. Sustavi grijanja za prostorije s visokim stupnjem izmjene zraka, koji stalno zahtijevaju dovod velikih količina svježeg zraka (Izmjena zraka duoden)
U tom slučaju količina topline potrebna za zagrijavanje dovodnog zraka može već biti nekoliko puta veća od količine topline potrebne za nadoknadu gubitka topline. Ovdje je najprikladnije i najekonomičnije kombinirati sustav grijanja zraka sa sustavom ventilacije svježim zrakom. Sustav grijanja može se graditi na bazi direktnih instalacija grijanja zraka, ili na bazi korištenja rekuperativnih generatora topline s višim stupnjem zagrijavanja.
Ukupna toplinska snaga grijača mora biti jednaka zbroju toplinske potrebe za zagrijavanje dovodnog zraka i topline potrebne za nadoknadu toplinskih gubitaka. Sustavi izravnog grijanja zagrijavaju 100% vanjskog zraka, osiguravajući potrebnu količinu svježeg zraka.
Tijekom radnog vremena zagrijavaju zrak od ulične temperature do projektirane temperature od + 16-40 ° C (uzimajući u obzir pregrijavanje kako bi se osigurala naknada za gubitak topline). Kako biste uštedjeli tijekom neradnog vremena, možete isključiti neke od grijača kako biste smanjili potrošnju dovodnog zraka, a ostale prebaciti u stanje pripravnosti održavajući +2-5°C.
Rekuperacijski generatori topline u standby modu omogućuju dodatne uštede prelaskom na punu recirkulaciju. Najniži kapitalni troškovi pri organiziranju centraliziranih sustava grijanja su kada se koriste najveći mogući grijači. Kapitalni troškovi za grijače zraka za miješanje plina STV mogu se kretati od 300 do 600 rubalja/kW instalirane toplinske snage.
3. Kombinirani sustavi grijanje zraka
Najbolja opcija za prostorije sa značajnom izmjenom zraka tijekom radnog vremena s jednosmjenskim načinom rada ili isprekidanim radnim ciklusom - kada je razlika u potrebi za opskrbom svježim zrakom i toplinom tijekom dana značajna.
U ovom slučaju, preporučljivo je koristiti dva sustava odvojeno: rezervno grijanje i dovodnu ventilaciju u kombinaciji sa sustavom grijanja (dogrijavanja). U tom slučaju se u grijanoj prostoriji ili u ventilacijskim komorama ugrađuju rekuperativni generatori topline kako bi se održao samo režim mirovanja uz punu recirkulaciju (pri izračunatoj vanjskoj temperaturi).
Sustav dovodne ventilacije u kombinaciji sa sustavom grijanja osigurava zagrijavanje potrebne količine svježeg dovodnog zraka na +16-30°C i zagrijavanje prostorije na potrebnu radnu temperaturu te se radi ekonomičnosti uključuje samo tijekom radnog vremena.
Izgrađen je ili na bazi rekuperativnih generatora topline (s povećanim stupnjem grijanja) ili na bazi snažnih sustava izravnog grijanja (što je 2-4 puta jeftinije). Moguća kombinacija sustav opskrbe dogrijavanje s postojećim sustavom grijanja vode (može ostati na dužnosti), opcija je primjenjiva i za postupnu modernizaciju postojećeg sustava grijanja i ventilacije.
Ovom metodom operativni troškovi bit će najniži. Dakle, pomoću grijača zraka različite vrste u raznim kombinacijama možete istovremeno riješiti oba problema - grijanje i ventilaciju svježim zrakom.
Postoji mnogo primjera korištenja sustava zračnog grijanja, a mogućnosti kombiniranja su vrlo raznolike. U svakom slučaju, potrebno je izvršiti toplinske proračune, uzeti u obzir sve uvjete primjene i izvršiti nekoliko opcija za odabir opreme, uspoređujući ih u smislu izvedivosti, kapitalnih troškova i operativnih troškova.
Istraživanja provedena na prijelazu iz 1940-ih u 1950-e omogućila su razvoj niza aerodinamičkih i tehnoloških rješenja koja osiguravaju sigurno probijanje zvučnog zida čak i serijskim zrakoplovima. Tada se činilo da osvajanje zvučnog zida stvara neograničene mogućnosti za daljnje povećanje brzine leta. U samo nekoliko godina letjelo se oko 30 tipova nadzvučnih letjelica, od kojih je značajan broj pušten u masovnu proizvodnju.
Raznolikost korištenih rješenja dovela je do činjenice da su mnogi problemi povezani s letovima pri velikim nadzvučnim brzinama sveobuhvatno proučeni i riješeni. Međutim, pojavili su se novi problemi, mnogo složeniji od zvučne barijere. Oni su uzrokovani zagrijavanjem strukture zrakoplov kada leti velikom brzinom u gustim slojevima atmosfere. Ta se nova prepreka nekoć nazivala toplinska barijera. Za razliku od zvučne barijere, nova barijera se ne može okarakterizirati kao konstantna, slično brzini zvuka, jer ovisi kako o parametrima leta (brzina i visina) i konstrukciji zrakoplova (konstrukcijska rješenja i korišteni materijali), tako i o zrakoplovu opreme (klimatizacija, rashladni sustavi itd.). P.). Dakle, koncept "toplinske barijere" uključuje ne samo problem opasnog zagrijavanja konstrukcije, već i pitanja kao što su prijenos topline, svojstva čvrstoće materijala, načela dizajna, klimatizacija itd.
Zagrijavanje zrakoplova u letu događa se uglavnom iz dva razloga: od aerodinamičkog kočenja protoka zraka i od stvaranja topline iz pogonskog sustava. Oba ova fenomena predstavljaju proces interakcije između medija (zrak, ispušni plinovi) i strujnog čvrsto tijelo(avion, motor). Druga pojava tipična je za sve zrakoplove, a povezana je s povećanjem temperature konstrukcijskih elemenata motora koji primaju toplinu od zraka komprimiranog u kompresoru, kao i od produkata izgaranja u komori i ispušnoj cijevi. Pri letenju velikim brzinama dolazi i do unutarnjeg zagrijavanja zrakoplova od zraka koji je usporen u zračnom kanalu ispred kompresora. Pri letenju malim brzinama zrak koji prolazi kroz motor ima relativno nisku temperaturu, zbog čega ne dolazi do opasnog zagrijavanja strukturnih elemenata konstrukcije zrakoplova. Pri velikim brzinama leta ograničavanje zagrijavanja konstrukcije zrakoplova od vrućih elemenata motora osigurava se dodatnim hlađenjem zrakom niske temperature. Tipično, zrak se uklanja iz usisnika zraka pomoću vodiča graničnog sloja, kao i zrak zarobljen iz atmosfere pomoću dodatnih usisnika koji se nalaze na površini gondole motora. Kod dvokružnih motora za hlađenje se koristi i zrak iz vanjskog (hladnog) kruga.
Dakle, razina toplinske barijere za nadzvučne zrakoplove određena je vanjskim aerodinamičkim zagrijavanjem. Intenzitet zagrijavanja površine koju strujanje zraka oblijeće ovisi o brzini leta. Pri malim brzinama to je zagrijavanje toliko malo da se povećanje temperature može zanemariti. Pri velikim brzinama strujanje zraka ima veliku kinetičku energiju, pa stoga porast temperature može biti značajan. To se također odnosi i na temperaturu unutar zrakoplova, budući da strujanje velike brzine, usporeno u usisniku zraka i komprimirano u kompresoru motora, poprima tako visoku temperaturu da ne može odvesti toplinu s vrućih dijelova motora.
Povećanje temperature oplate zrakoplova kao rezultat aerodinamičkog zagrijavanja uzrokovano je viskoznošću zraka koji struji oko zrakoplova, kao i njegovom kompresijom na čeonim površinama. Zbog gubitka brzine česticama zraka u graničnom sloju kao rezultat viskoznog trenja, povećava se temperatura cijele leteće površine zrakoplova. Kao rezultat kompresije zraka, temperatura se povećava, međutim, samo lokalno (uglavnom na nos trupa, vjetrobransko staklo kokpita, a posebno na prednje rubove krila i perje), ali češće doseže vrijednosti koje nisu sigurne za strukturu. U tom slučaju na nekim mjestima dolazi do gotovo izravnog sudara strujanja zraka s podlogom i potpunog dinamičkog kočenja. U skladu s načelom očuvanja energije, sva kinetička energija strujanja pretvara se u toplinsku i tlačnu energiju. Odgovarajuće povećanje temperature izravno je proporcionalno kvadratu brzine strujanja prije kočenja (ili, bez uzimanja u obzir vjetra, kvadratu brzine zrakoplova) i obrnuto proporcionalno visini leta.
Teoretski, ako je strujanje ravnomjerno, vrijeme je mirno i bez oblaka, te nema prijenosa topline zračenjem, tada toplina ne prodire u strukturu, a temperatura kože je blizu tzv. adijabatske temperature stagnacije. Njegova ovisnost o Machovom broju (brzini leta i visini) data je u tablici. 4.
U stvarnim uvjetima porast temperature oplate zrakoplova zbog aerodinamičkog zagrijavanja, odnosno razlike između temperature stagnacije i temperature okoline, nešto je manji zbog izmjene topline s okolinom (zračenjem), susjednim elementima konstrukcije, itd. Osim toga, do potpunog usporavanja strujanja dolazi samo na tzv. kritičnim točkama koje se nalaze na izbočenim dijelovima zrakoplova, a protok topline prema koži ovisi i o prirodi graničnog sloja zraka (intenzivniji je za turbulentni granični sloj). Značajno smanjenje temperature također se događa kada letite kroz oblake, posebno kada sadrže prehlađene kapljice vode i kristale leda. Za takve uvjete leta pretpostavlja se da smanjenje temperature kože na kritičnoj točki u usporedbi s teoretskom temperaturom stagnacije može doseći čak 20-40%.
Tablica 4. Ovisnost temperature kože o Machovom broju
Ipak, sveukupno zagrijavanje zrakoplova u letu nadzvučnim brzinama (osobito na maloj visini) ponekad je toliko visoko da povećanje temperature pojedinih elemenata konstrukcije i opreme dovodi ili do njihovog uništenja ili, u najmanju ruku, do treba promijeniti način letenja. Na primjer, tijekom istraživanja zrakoplova XB-70A u letovima na visinama većim od 21 000 m pri brzini M = 3, temperatura ulaznih rubova usisnika zraka i prednjih rubova krila bila je 580-605 K. , a ostatak kože bio je 470-500 K. Posljedice povećanja temperature strukturnih elemenata zrakoplova Ovako velike vrijednosti mogu se u potpunosti cijeniti ako se uzme u obzir činjenica da već na temperaturama od oko 370 K, organsko staklo, koji se naširoko koristi za ostakljivanje kabina, omekšava, gorivo kuha, a obično ljepilo gubi snagu. Na 400 K značajno se smanjuje čvrstoća duraluminija, na 500 K dolazi do kemijske razgradnje radnog fluida u hidrauličkom sustavu i uništavanja brtvila, na 800 K legure titana gube potrebna mehanička svojstva, na temperaturama iznad 900 K, aluminij i magnezij se tope, a čelik omekšava. Povećanje temperature također dovodi do razaranja premaza, od kojih se eloksiranje i kromiranje mogu koristiti do 570 K, poniklavanje do 650 K, a posrebrenje do 720 K.
Nakon pojave ove nove prepreke povećanju brzine leta, počela su istraživanja kako bi se otklonile ili ublažile njezine posljedice. Metode zaštite zrakoplova od utjecaja aerodinamičkog zagrijavanja određene su čimbenicima koji sprječavaju porast temperature. Osim visine leta i atmosferskih uvjeta, na stupanj zagrijavanja zrakoplova značajno utječu:
– koeficijent toplinske vodljivosti materijala plašta;
– veličina površine (osobito čeone površine) zrakoplova; -vrijeme za let.
Iz toga slijedi da je najjednostavniji način smanjenja zagrijavanja konstrukcije povećanje visine leta i njegovo trajanje ograničenje na minimum. Ove su metode korištene u prvim nadzvučnim letjelicama (osobito eksperimentalnim). Zbog prilično visoke toplinske vodljivosti i toplinskog kapaciteta materijala koji se koriste za izradu toplinski napregnutih elemenata konstrukcije zrakoplova, od trenutka kada zrakoplov postigne veliku brzinu do trenutka kada se pojedini elementi konstrukcije zagriju do izračunate temperature kritične točka, obično traje dosta dugo. veliko vrijeme. Na letovima koji traju nekoliko minuta (čak i pri niskim velike nadmorske visine), ne postižu se destruktivne temperature. Let na velikim visinama događa se u uvjetima niske temperature (oko 250 K) i niske gustoće zraka. Kao rezultat toga, količina topline koju strujanje oslobađa na površine zrakoplova je mala, a izmjena topline traje dulje, što značajno umanjuje ozbiljnost problema. Sličan rezultat dobiva se ograničavanjem brzine zrakoplova na malim visinama. Na primjer, kada leti iznad zemlje brzinom od 1600 km/h, čvrstoća duraluminija se smanjuje za samo 2%, a povećanje brzine do 2400 km/h dovodi do smanjenja njegove čvrstoće do 75% u usporedbi s na izvornu vrijednost.
Riža. 1.14. Raspodjela temperature u zračnom kanalu i u motoru zrakoplova Concorde tijekom leta s M = 2,2 (a) i raspodjela temperature oplate zrakoplova XB-70A tijekom leta pri konstantnoj brzini od 3200 km/h (b).
Međutim, potreba za osiguranjem sigurnih radnih uvjeta u cijelom rasponu korištenih brzina i visina leta tjera konstruktore da traže odgovarajuća tehnička sredstva. Budući da zagrijavanje konstrukcijskih elemenata zrakoplova uzrokuje smanjenje mehaničkih svojstava materijala, pojavu toplinskih naprezanja u konstrukciji, kao i pogoršanje uvjeta rada posade i opreme, takva tehnička sredstva koja se koriste u postojećoj praksi mogu se podijeliti u tri skupine. Oni u skladu s tim uključuju korištenje 1) materijala otpornih na toplinu, 2) konstrukcijskih rješenja koja osiguravaju potrebnu toplinsku izolaciju i dopuštenu deformaciju dijelova, kao i 3) sustave hlađenja pilotske kabine i odjeljaka za opremu.
U zrakoplovima s maksimalnom brzinom M = 2,0-1-2,2 široko se koriste aluminijske legure (duraluminij), koje karakteriziraju relativno visoka čvrstoća, niska gustoća i zadržavanje svojstava čvrstoće uz blagi porast temperature. Dural ploče obično se dopunjuju čeličnim ili titanovim legurama od kojih se izrađuju dijelovi konstrukcije zrakoplova koji su izloženi najvećim mehaničkim ili toplinskim opterećenjima. Legure titana našle su primjenu već u prvoj polovici 50-ih, u početku u vrlo malom opsegu (sada dijelovi izrađeni od njih mogu činiti i do 30% težine konstrukcije zrakoplova). U eksperimentalnim zrakoplovima s M ~ 3 postaje neophodno koristiti legure čelika otporne na toplinu kao glavni strukturni materijal. Takvi čelici zadržavaju dobra mehanička svojstva na visokim temperaturama karakterističnim za letove hipersoničnim brzinama, ali su im nedostaci visoka cijena i velika gustoća. Ti nedostaci u određenom smislu ograničavaju razvoj brzih letjelica, pa se provode istraživanja i na drugim materijalima.
U 70-ima su provedeni prvi eksperimenti s korištenjem berilija u konstrukciji zrakoplova, kao i kompozitnih materijala na bazi bora ili karbonskih vlakana. Ovi materijali su još uvijek skupi, ali u isto vrijeme karakteriziraju niska gustoća, visoka čvrstoća i krutost, kao i značajna otpornost na toplinu. Primjeri specifičnih primjena ovih materijala u konstrukciji zrakoplova navedeni su u opisima pojedinačnih zrakoplova.
Drugi čimbenik koji značajno utječe na performanse zagrijane konstrukcije zrakoplova je učinak tzv. toplinskih naprezanja. Nastaju kao posljedica temperaturnih razlika između vanjskih i unutarnjih površina elemenata, a posebno između oplate i unutarnjih konstrukcijskih elemenata zrakoplova. Površinsko zagrijavanje konstrukcije zrakoplova dovodi do deformacije njegovih elemenata. Na primjer, može doći do savijanja oplate krila, što će dovesti do promjene aerodinamičkih karakteristika. Zbog toga se u mnogim zrakoplovima koristi lemljena (ponekad i lijepljena) višeslojna opna, koja se odlikuje visokom krutošću i dobrim izolacijskim svojstvima, ili se koriste unutarnji strukturni elementi s odgovarajućim dilatacijskim spojevima (na primjer, u zrakoplovu F-105, stijenke kočnice su izrađene od valovitog lima). Poznati su i eksperimenti hlađenja krila pomoću goriva (na primjer, na zrakoplovu X-15) koje teče ispod kože na putu od spremnika do mlaznica komore za izgaranje. Međutim, na visokim temperaturama gorivo se obično koksira, pa se takvi pokusi mogu smatrati neuspješnima.
Trenutno se proučavaju različite metode, uključujući primjenu izolacijskog sloja vatrostalnih materijala raspršivanjem plazme. Ostale metode koje se smatraju obećavajućima nisu našle primjenu. Između ostalog, predloženo je korištenje "zaštitnog sloja" stvorenog upuhivanjem plina na kožu, hlađenja "znojem" dovođenjem tekućine s visokom temperaturom isparavanja na površinu kroz poroznu kožu, te hlađenja stvorenog topljenjem i nošenjem dio kože (ablativni materijali).
Prilično specifičan, a ujedno i vrlo važan zadatak je održavanje odgovarajuće temperature u kokpitu iu odjeljcima opreme (osobito elektronike), kao i temperature goriva i hidrauličkog sustava. Trenutno se ovaj problem rješava primjenom visokoučinkovitih klimatizacijskih, rashladnih i rashladnih sustava, učinkovitom toplinskom izolacijom, primjenom hidrauličnih tekućina s visokim temperaturama isparavanja itd.
Problemi povezani s toplinskom barijerom moraju se rješavati sveobuhvatno. Svaki napredak u ovom području pomiče barijeru za ovaj tip zrakoplova prema većim brzinama leta, ne isključujući ga kao takvog. Međutim, želja za još većim brzinama dovodi do stvaranja još više složene strukture te opreme koja zahtijeva korištenje kvalitetnijih materijala. To značajno utječe na težinu, nabavnu cijenu i troškove upravljanja i održavanja zrakoplova.
Od onih navedenih u tablici. 2 podaci iz borbenih zrakoplova pokazuju da se u većini slučajeva maksimalna brzina od 2200-2600 km/h smatrala racionalnom. Samo u nekim slučajevima vjeruje se da bi brzina zrakoplova trebala premašiti M ~ 3. Zrakoplovi koji mogu postići takve brzine uključuju eksperimentalne zrakoplove X-2, XB-70A i T. 188, izviđački SR-71, kao i E- 266 zrakoplova.
1* Hlađenje je prisilni prijenos topline od hladnog izvora do okoline visoke temperature uz umjetno suprotstavljanje prirodnom smjeru kretanja topline (od toplog tijela do hladnog tijela kada se odvija proces hlađenja). Najjednostavniji hladnjak je hladnjak za kućanstvo.
Svi životni procesi na Zemlji uzrokovani su toplinskom energijom. Glavni izvor iz kojeg Zemlja dobiva toplinsku energiju je Sunce. Emitira energiju u obliku raznih zraka - Elektromagnetski valovi. Naziva se zračenje Sunca u obliku elektromagnetskih valova koji se šire brzinom od 300 000 km/s, koje se sastoji od zraka različitih duljina koje prenose svjetlost i toplinu na Zemlju.
Zračenje može biti izravno i difuzno. Bez atmosfere, zemljina bi površina primala samo izravno zračenje. Stoga se zračenje koje dolazi izravno od Sunca u obliku izravne sunčeve svjetlosti i na nebu bez oblaka naziva izravnim. Nosi najveću količinu topline i svjetlosti. No, prolazeći kroz atmosferu, sunčeve zrake se djelomično raspršuju, skreću s izravnog puta uslijed refleksije od molekula zraka, kapljica vode i čestica prašine i pretvaraju se u zrake koje idu u svim smjerovima. Takvo zračenje naziva se raspršeno. Stoga je svjetlo na onim mjestima gdje izravna sunčeva svjetlost (izravno zračenje) ne prodire (šumske krošnje, sjenovita strana stijena, planine, zgrade itd.). Raspršeno zračenje također određuje boju neba. Sve sunčevo zračenje koje dolazi na površinu zemlje, tj. izravni i raspršeni nazivaju se ukupnim. Zemljina se površina, apsorbirajući sunčevo zračenje, zagrijava i sama postaje izvor toplinskog zračenja u atmosferu. Naziva se terestričko zračenje, odnosno terestričko zračenje, a velikim dijelom ga blokiraju niži slojevi atmosfere. Sunčevo zračenje koje apsorbira zemljina površina troši se na zagrijavanje vode, tla, zraka, isparavanje i zračenje u atmosferu. Zemaljski, ne definirajući temperaturni režim troposfera, tj. sunčeve zrake prolazeći kroz sve ne zagrijavaju. Najviše veliki broj Donji slojevi atmosfere, neposredno uz izvor topline - zemljinu površinu, primaju toplinu i zagrijavaju se do najviših temperatura. Kako se udaljavate od zemljine površine, zagrijavanje slabi. Zbog toga troposfera opada s visinom u prosjeku za 0,6°C na svakih 100 m uspona. Ovo je opći obrazac za troposferu. Postoje slučajevi kada su gornji slojevi zraka topliji od donjih. Taj se fenomen naziva temperaturna inverzija.
Zagrijanost zemljine površine značajno varira ne samo po visini. Količina ukupnog sunčevog zračenja izravno ovisi o kutu upada sunčevih zraka.Što je ta vrijednost bliža 90°, to više sunčeve energije prima površina zemlje.
S druge strane, kut pada sunčevih zraka na određenu točku na zemljinoj površini određen je zemljopisnom širinom. Jačina izravnog sunčevog zračenja ovisi o duljini puta koji sunčeve zrake prođu kroz atmosferu. Kada je Sunce u zenitu (blizu ekvatora), njegove zrake padaju okomito na zemljinu površinu, tj. svladavaju atmosferu najkraćim putem (na 90°) i intenzivno odaju svoju energiju malom prostoru. Kako se udaljavate od ekvatorijalne zone prema jugu ili sjeveru, duljina puta sunčevih zraka se povećava, tj. smanjuje se njihov upadni kut na zemljinu površinu. Zrake počinju sve više kliziti duž Zemlje i približavaju se tangenti u području polova. Istodobno se isti snop energije raspršuje na većem području, a količina reflektirane energije se povećava. Dakle, tamo gdje sunčeve zrake padaju na zemljinu površinu pod kutom od 90°, temperatura je stalno visoka, a kako se kreće prema polovima postaje sve hladnija. Najmanje je topline na polovima, gdje sunčeve zrake padaju pod kutom od 180° (tj. tangencijalno).
Ova neravnomjerna raspodjela topline na Zemlji ovisno o geografskoj širini mjesta omogućuje nam da razlikujemo pet toplinskih zona: jednu vruću, dvije i dvije hladne.
Uvjeti zagrijavanja vode i tla sunčevim zračenjem vrlo su različiti. Toplinski kapacitet vode dvostruko je veći od toplinskog kapaciteta kopna. To znači da se s istom količinom topline zemljište dvaput zagrije brže od vode, a pri hlađenju se događa suprotno. Osim toga, voda pri zagrijavanju isparava, pri čemu se troši znatna količina topline. Na kopnu je toplina koncentrirana samo u njegovom gornjem sloju, a samo mali dio prelazi u dubinu. U vodi, zrake odmah zagrijavaju značajnu debljinu, što je olakšano vertikalnim miješanjem vode. Zbog toga voda mnogo više akumulira toplinu od tla, duže je zadržava i ravnomjernije troši od tla. Sporije se zagrijava i sporije hladi.
Površina kopna je heterogena. Njegovo zagrijavanje uvelike ovisi o fizička svojstva tla i led, ekspozicija (kut nagiba kopnenih površina u odnosu na padajuće sunčeve zrake) padina. Karakteristike podloge određuju različitu prirodu promjena temperature zraka tijekom dana i godine. Najviše niske temperature zraka tijekom dana na kopnu promatraju se neposredno prije izlaska sunca (bez priljeva sunčevog zračenja i jakog zemaljskog zračenja noću). Najviše su poslijepodne (14-15 sati). Tijekom godine na sjevernoj hemisferi najviše visoke temperature zraka na kopnu opažaju se u srpnju, a najmanji u siječnju. Iznad površine vode dnevna maksimalna temperatura zraka se pomiče i opaža se u 15-16 sati, a minimalna 2-3 sata nakon izlaska sunca. Godišnji maksimum (na sjevernoj hemisferi) javlja se u kolovozu, a minimum u veljači.
