Svi životni procesi na Zemlji uzrokovani su toplinskom energijom. Glavni izvor iz kojeg Zemlja prima Termalna energija, 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. Ona nosi najveći broj toplina i svjetlost. 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. Svo sunčevo zračenje dopire Zemljina površina, 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. Najveću količinu topline primaju i zagrijavaju do najviših temperatura niži slojevi atmosfere, neposredno uz izvor topline – zemljinu površinu. 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 je veći solarna energija prima zemljinu površinu.
Zauzvrat, kut pada sunčevih zraka na određenu točku na zemljinoj površini određen je njezinim geografska širina. 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. Najniže temperature zraka tijekom dana na kopnu bilježe se neposredno prije izlaska sunca (bez dotoka sunčevog zračenja, a noću je jako zemaljsko zračenje). 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.
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 oprema (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 čine proces interakcije između medija (zrak, ispušni plinovi) i strujanog čvrstog tijela (zrakoplov, 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. Kad letite malim brzinama, zrak koji prolazi kroz motor ima relativno niske temperature, 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 opterećenih elemenata konstrukcije zrakoplova, od trenutka kada zrakoplov postigne veliku brzinu do zagrijavanja pojedinih konstrukcijskih elemenata do izračunate temperature kritične točke, 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, hlađenje "znojem" dovođenjem tekućine s visokom temperaturom isparavanja na površinu kroz poroznu kožu, te hlađenje stvoreno 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 korištenjem visokoučinkovitih klimatizacijskih, rashladnih i rashladnih sustava, učinkovitom toplinskom izolacijom, korištenjem 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.
Aerodinamičko grijanje zagrijavanje tijela koja se kreću velikom brzinom u zraku ili drugom plinu. A. n. - rezultat činjenice da se molekule zraka koje padaju na tijelo usporavaju u blizini tijela. Ako se let odvija nadzvučnom brzinom usjeva, kočenje se prvenstveno događa u udarnom valu (vidi udarni val) ,
pojavljujući se ispred tijela. Daljnje kočenje molekula zraka događa se izravno na samoj površini tijela, u
granični sloj (Vidi granični sloj). Kada se molekule zraka usporavaju, njihova toplinska energija raste, tj. temperatura plina u blizini površine tijela koje se kreće raste. Maksimalna temperatura, na koji se plin može zagrijati u blizini tijela koje se kreće, blizak je tzv. temperatura kočenja: T 0 = T n + v 2 /2c p ,
Gdje T n - temperatura ulaznog zraka, v- brzina leta tijela, c str- specifični toplinski kapacitet plina pri stalnom tlaku. Tako, na primjer, kada nadzvučna letjelica leti trostrukom brzinom zvuka (oko 1 km/sek) temperatura stagnacije je oko 400°C, a kada svemirska letjelica uđe u Zemljinu atmosferu pri prvoj izlaznoj brzini (8.1 km/sek) temperatura kočenja doseže 8000 °C. Ako u prvom slučaju, tijekom dovoljno dugog leta, temperatura kože zrakoplova dosegne vrijednosti blizu temperature stagnacije, tada će se u drugom slučaju površina letjelice neizbježno početi urušavati zbog nemogućnosti materijala koji mogu izdržati tako visoke temperature. Iz područja plina s povišenom temperaturom toplina se prenosi na tijelo koje se kreće i dolazi do atomizacije. Postoje dva oblika A. n. - konvektivne i radijacijske. Konvekcijsko zagrijavanje je posljedica prijenosa topline s vanjskog, "vrućeg" dijela graničnog sloja na površinu tijela. Konvekcijski toplinski tok određuje se kvantitativno iz relacije q k = a(T e -T w), Gdje T e - ravnotežna temperatura (najveća temperatura do koje bi se površina tijela mogla zagrijati da nema oduzimanja energije), T w - stvarna površinska temperatura, a- koeficijent konvektivnog prolaza topline, ovisno o brzini i visini leta, obliku i veličini tijela, kao i drugim čimbenicima. Ravnotežna temperatura je blizu temperature stagnacije. Vrsta ovisnosti koeficijenta A od navedenih parametara određuje režim strujanja u graničnom sloju (laminarno ili turbulentno). U slučaju turbulentnog strujanja konvektivno zagrijavanje postaje intenzivnije. To je zbog činjenice da, osim molekularne toplinske vodljivosti, turbulentne pulsacije brzine u graničnom sloju počinju igrati značajnu ulogu u prijenosu energije. Povećanjem brzine leta raste temperatura zraka iza udarnog vala i u graničnom sloju, što dovodi do disocijacije i ionizacije
molekule. Nastali atomi, ioni i elektroni difundiraju u hladnije područje – na površinu tijela. Postoji obrnuta reakcija (rekombinacija) ,
nastavljajući s oslobađanjem topline. Time se daje dodatni doprinos konvektivnoj atmosferi. Nakon postizanja brzine leta od oko 5000 m/sek temperatura iza udarnog vala doseže vrijednosti pri kojima plin počinje zračiti. Radijacijskim prijenosom energije iz područja povišene temperature na površinu tijela dolazi do radijacijskog zagrijavanja. U ovom slučaju najveću ulogu ima zračenje u vidljivom i ultraljubičastom području spektra. Kada letite u Zemljinoj atmosferi brzinama ispod prve kozmičke brzine (8.1 km/sek) grijanje zračenjem je malo u usporedbi s konvektivnim grijanjem. Pri drugoj izlaznoj brzini (11.2 km/sek)
njihove vrijednosti postaju bliske, a pri brzinama leta od 13-15 km/sek i više, što odgovara povratku na Zemlju nakon letova na druge planete, glavni doprinos daje grijanje zračenjem.
Posebno važnu ulogu ima A. n. svira kada se svemirske letjelice vraćaju u Zemljinu atmosferu (na primjer, Vostok, Voskhod, Soyuz). Za borbu protiv A. n. svemirske letjelice opremljene su posebnim sustavima toplinske zaštite (Vidi Toplinska zaštita). Lit.: Osnove prijenosa topline u zrakoplovnoj i raketnoj tehnologiji, M., 1960; Dorrance W. H., Hipersonična strujanja viskoznog plina, trans. s engleskog, M., 1966.; Zeldovich Ya. B., Raiser Yu. P., Fizika udarnih valova i visokotemperaturnih hidrodinamičkih pojava, 2. izdanje, M., 1966. N. A. Anfimov.
Velik Sovjetska enciklopedija. - M.: Sovjetska enciklopedija. 1969-1978 .
Pogledajte što je "aerodinamičko grijanje" u drugim rječnicima:
Zagrijavanje tijela koja se kreću velikom brzinom u zraku ili drugom plinu. A. n. rezultat činjenice da se molekule zraka koje padaju na tijelo usporavaju u blizini tijela. Ako se let izvodi nadzvučnom brzinom. brzina, kočenje se prvenstveno događa u šoku... ... Fizička enciklopedija
Zagrijavanje tijela koje se kreće velikom brzinom u zraku (plinu). Primjetno aerodinamičko zagrijavanje opaža se kada se tijelo kreće nadzvučnom brzinom (na primjer, kada se pomiču dijelovi glave interkontinentalnog zrakoplova balističke rakete) EdwART.... ...Pomorski rječnik
aerodinamičko grijanje- Zagrijavanje površine koja struji plinom tijela koje se kreće velikom brzinom u plinovitom mediju uz prisutnost konvektivne, a pri hipersoničnim brzinama radijacijske izmjene topline s plinovitim medijem u graničnom ili udarnom sloju. [GOST 26883... ... Vodič za tehničke prevoditelje
Povećanje temperature tijela koje se kreće velikom brzinom u zraku ili drugom plinu. Aerodinamičko zagrijavanje rezultat je kočenja molekula plina u blizini površine tijela. Dakle, kada letjelica uđe u Zemljinu atmosferu brzinom od 7,9 km/s... ... enciklopedijski rječnik
aerodinamičko grijanje- aerodinaminis įšilimas statusas T sritis Energetika apibrėžtis Kūnų, judančių dujose (ruda) dideliu greičiu, paviršiaus įšilimas. atitikmenys: engl. aerodinamičko grijanje vok. aerodynamische Aufheizung, f rus. aerodinamičko grijanje, m pranc.… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas- povećanje temperature tijela koje se kreće velikom brzinom u zraku ili drugom plinu. A. i. rezultat usporavanja molekula plina u blizini površine tijela. Dakle, na ulazu u svemir. aparata u Zemljinu atmosferu brzinom od 7,9 km/s, tempo zraka na površini... Prirodna znanost. enciklopedijski rječnik
Aerodinamičko zagrijavanje konstrukcije rakete- Zagrijavanje površine rakete dok se ona velikom brzinom kreće u gustim slojevima atmosfere. A.N. - rezultat činjenice da se molekule zraka koje napadaju raketu usporavaju u blizini njezina tijela. U ovom slučaju dolazi do prijelaza kinetičke energije... ... Enciklopedija strateških raketnih snaga
Concorde Concorde u zračnoj luci ... Wikipedia
Oni prolaze kroz prozirnu atmosferu bez zagrijavanja, dolaze do površine zemlje, zagrijavaju je, a od nje se naknadno zagrijava zrak.
Stupanj zagrijavanja površine, a time i zraka, ovisi, prije svega, o geografskoj širini područja.
Ali u svakoj specifičnoj točki to (t o) također će biti određeno nizom čimbenika, među kojima su glavni:
A: nadmorska visina;
B: temeljna površina;
B: udaljenost od obala oceana i mora.
A – Budući da se zagrijavanje zraka događa s površine zemlje, što je niža apsolutna nadmorska visina područja, to je viša temperatura zraka (na jednoj geografskoj širini). U uvjetima zraka nezasićenog vodenom parom uočava se obrazac: za svakih 100 metara nadmorske visine temperatura (to) opada za 0,6 o C.
B – Kvalitativne karakteristike površine.
B 1 – površine različite boje i strukture različito upijaju i odbijaju sunčeve zrake. Maksimalna refleksija je karakteristična za snijeg i led, a najmanja za tamno obojeno tlo i stijene.
Osvjetljenje Zemlje sunčevim zrakama u dane solsticija i ekvinocija.
B 2 – različite površine imaju različit toplinski kapacitet i prijenos topline. Dakle, vodena masa Svjetskog oceana, koja zauzima 2/3 Zemljine površine, vrlo se sporo zagrijava i vrlo sporo hladi zbog svog velikog toplinskog kapaciteta. Tlo se brzo zagrijava i brzo hladi, tj. da bi se 1 m2 kopna i 1 m2 vodene površine zagrijali na istu temperaturu, potrebno je utrošiti različite količine energije.
B – od obala prema unutrašnjosti kontinenata smanjuje se količina vodene pare u zraku. Što je atmosfera prozirnija, to se manje sunčeve svjetlosti raspršuje u njoj, a sve sunčeve zrake dopiru do površine Zemlje. U prisutnosti velika količina vodene pare u zraku, kapljice vode reflektiraju, raspršuju, apsorbiraju sunčeve zrake i ne stignu sve do površine planeta, njegovo zagrijavanje se smanjuje.
Najviše temperature zraka zabilježene u krajevima tropske pustinje. U središnjim predjelima Sahare gotovo 4 mjeseca temperatura zraka u hladu iznosi više od 40 o C. Istovremeno, na ekvatoru, gdje je upadni kut sunčevih zraka najveći, temperatura ne prelazi +26 o C.
S druge strane, Zemlja kao zagrijano tijelo zrači energiju u svemir uglavnom u dugovalnom infracrvenom spektru. Ako je zemljina površina prekrivena "pokrivačem" oblaka, tada sve infracrvene zrake ne napuštaju planet, jer ih oblaci zadržavaju, reflektirajući ih natrag na površinu Zemlje.
Pri vedrom nebu, kada u atmosferi ima malo vodene pare, infracrvene zrake koje emitira planet slobodno odlaze u svemir, a površina zemlje se hladi, što hladi i time smanjuje temperaturu zraka.
Književnost
- Zubaščenko E.M. Regionalna fizička geografija. Klime Zemlje: nastavno-metodički priručnik. 1. dio / E.M. Zubaščenko, V.I. Shmykov, A.Ya. Nemykin, N.V. Polyakova. – Voronjež: VSPU, 2007. – 183 str.
Čovječanstvo poznaje nekoliko vrsta energije - mehaničku energiju (kinetičku i potencijalnu), unutarnju energiju (toplinsku), energiju polja (gravitacijsku, elektromagnetsku i nuklearnu), kemijsku. Vrijedno je istaknuti energiju eksplozije...
Energija vakuuma i tamna energija, koja još postoji samo u teoriji. U ovom članku, prvom u odjeljku "Toplotehnika", pokušat ću jednostavnim i pristupačnim jezikom, na praktičnom primjeru, govoriti o najvažnijoj vrsti energije u životu ljudi - o Termalna energija i o tome da je rodim na vrijeme toplinska snaga.
Nekoliko riječi za razumijevanje mjesta toplinske tehnike kao grane znanosti o dobivanju, prijenosu i korištenju toplinske energije. Suvremena toplinska tehnika proizašla je iz opće termodinamike, koja je pak jedna od grana fizike. Termodinamika je doslovno "toplo" plus "snaga". Dakle, termodinamika je znanost o "promjeni temperature" sustava.
Vanjski utjecaj na sustav, koji mijenja njegovu unutarnju energiju, može biti rezultat izmjene topline. Termalna energija, koje sustav dobiva ili gubi kao rezultat takve interakcije s okolinom, naziva se količina topline i mjeri se u SI jedinicama u džulima.
Ako niste inženjer grijanja i ne bavite se svakodnevno temama toplinske tehnike, onda kada se susrećete s njima, ponekad bez iskustva može biti vrlo teško brzo ih razumjeti. Bez iskustva, teško je čak i zamisliti dimenzije potrebnih vrijednosti količine topline i toplinske snage. Koliko je Joula energije potrebno za zagrijavanje 1000 kubnih metara zraka od temperature od -37˚S do +18˚S?.. Kolika je snaga izvora topline potrebna da se to učini za 1 sat?.. Danas možemo na ova ne najteža pitanja odgovorite “odmah” “Nisu svi inženjeri. Ponekad se stručnjaci čak sjećaju formula, ali samo ih rijetki mogu primijeniti u praksi!
Nakon što pročitate ovaj članak do kraja, moći ćete jednostavno riješiti stvarne industrijske i kućanske probleme vezane uz grijanje i hlađenje raznih materijala. Razumijevanje fizikalne suštine procesa prijenosa topline i poznavanje jednostavnih osnovnih formula glavni su blokovi temelja znanja u toplinskoj tehnici!
Količina topline tijekom raznih fizikalnih procesa.
Većina poznatih tvari može biti u krutom, tekućem, plinovitom ili plazma stanju pri različitim temperaturama i tlakovima. Tranzicija iz jednog agregatnog stanja u drugo javlja se kada stalna temperatura (pod uvjetom da se tlak i drugi parametri ne mijenjaju okoliš) i praćeno je apsorpcijom ili oslobađanjem toplinske energije. Unatoč činjenici da je 99% materije u Svemiru u stanju plazme, u ovom članku nećemo razmatrati ovo agregatno stanje.
Razmotrite grafikon prikazan na slici. Pokazuje ovisnost tvari o temperaturi T na količinu topline Q, doveden do određenog zatvoreni sustav koji sadrži određenu masu određene tvari.
1. Krutina koja ima temperaturu T1, zagrijte na temperaturu Ttopiti, trošeći na ovaj proces količinu topline jednaku P1 .
2. Zatim počinje proces taljenja, koji se odvija na konstantnoj temperaturi Tpl(talište). Za taljenje cjelokupne mase krutine potrebno je utrošiti toplinsku energiju u iznosu od Q2 - Q1 .
3. Zatim se tekućina koja nastaje taljenjem krutine zagrijava do točke vrenja (stvaranje plina) Tkp, potrošnja na ovu količinu topline jednaka Q3-Q2 .
4. Sada na konstantnoj točki vrenja Tkp tekućina vrije i isparava, pretvarajući se u plin. Da bi se cjelokupna masa tekućine pretvorila u plin, potrebno je utrošiti toplinsku energiju u iznosu od Q4-Q3.
5. U posljednjoj fazi, plin se zagrijava od temperature Tkp do određene temperature T2. U ovom slučaju, količina potrošene topline bit će P5-Q4. (Ako zagrijemo plin do temperature ionizacije, plin će se pretvoriti u plazmu.)
Dakle, zagrijavanje originala čvrsta na temperaturu T1 do temperature T2 potrošili smo toplinsku energiju u iznosu P5, prijenos tvari kroz tri agregacijska stanja.
Krećući se u suprotnom smjeru, oduzet ćemo istu količinu topline od tvari P5, nakon što je prošao kroz faze kondenzacije, kristalizacije i hlađenja od temperature T2 do temperature T1. Naravno, razmišljamo o zatvorenom sustavu bez gubitka energije u vanjsku okolinu.
Imajte na umu da je prijelaz iz krutog stanja u plinovito stanje moguć, zaobilazeći tekuću fazu. Taj se proces naziva sublimacija, a obrnuti proces desublimacija.
Dakle, uvidjeli smo da procese prijelaza između agregatnih stanja tvari karakterizira potrošnja energije pri konstantnoj temperaturi. Zagrijavanjem tvari koja je u jednom nepromijenjenom agregatnom stanju dolazi do porasta temperature te se također troši toplinska energija.
Glavne formule prijenosa topline.
Formule su vrlo jednostavne.
Količina topline Q u J izračunava se pomoću formula:
1. Sa strane potrošnje topline, odnosno sa strane opterećenja:
1.1. Kod grijanja (hlađenja):
Q = m * c *(T2 -T1)
m – masa tvari u kg
sa - specifični toplinski kapacitet tvari u J/(kg*K)
1.2. Kod topljenja (smrzavanja):
Q = m * λ
λ – specifična toplina taljenja i kristalizacije tvari u J/kg
1.3. Tijekom vrenja, isparavanje (kondenzacija):
Q = m * r
r – specifična toplina stvaranja plina i kondenzacije tvari u J/kg
2. Sa strane proizvodnje topline, odnosno sa strane izvora:
2.1. Kada gorivo gori:
Q = m * q
q – specifična toplina izgaranja goriva u J/kg
2.2. Pri pretvaranju električne energije u toplinsku (Joule-Lenzov zakon):
Q =t *I *U =t *R *I ^2=(t /R)*U^2
t – vrijeme u s
ja – efektivna vrijednost struje u A
U – efektivna vrijednost napona u V
R – Otpor opterećenja u ohmima
Zaključujemo da je količina topline izravno proporcionalna masi tvari tijekom svih faznih pretvorbi, a tijekom zagrijavanja dodatno proporcionalna temperaturnoj razlici. Koeficijenti proporcionalnosti ( c , λ , r , q ) za svaku tvar imaju svoja značenja i određuju se eksperimentalno (preuzeto iz referentnih knjiga).
Toplinska snaga N u W je količina topline prenesena u sustav u određenom vremenu:
N=Q/t
Što brže želimo zagrijati tijelo na određenu temperaturu, to bi izvor toplinske energije trebao biti veće snage – sve je logično.
Izračun primijenjenog problema u Excelu.
U životu je često potrebno napraviti brzi izračun procjene kako bi se shvatilo ima li smisla nastaviti proučavati temu, raditi projekt i detaljne, točne, dugotrajne izračune. Izvršivši izračun u nekoliko minuta čak i s točnošću od ±30%, možete donijeti važnu upravljačku odluku koja će biti 100 puta jeftinija i 1000 puta učinkovitija te u konačnici 100.000 puta učinkovitija od obavljanja točnog izračuna unutar tjedan dana, inače i mjesecima, grupa skupih stručnjaka...
Uvjeti problema:
Dovozimo 3 tone valjanog metala iz skladišta na ulici u prostore radionice za pripremu valjanog metala dimenzija 24m x 15m x 7m. Na metalnim vozilima ima leda ukupna masa 20 kg. Vani je -37˚S. Koliko je topline potrebno za zagrijavanje metala na +18˚S; zagrijte led, otopite ga i zagrijte vodu na +18˚S; zagrijati cijeli volumen zraka u prostoriji, pod pretpostavkom da je grijanje prije toga potpuno isključeno? Koju snagu treba imati sustav grijanja ako se sve navedeno mora obaviti za 1 sat? (Vrlo teški i gotovo nerealni uvjeti - pogotovo što se tiče zraka!)
Izračun ćemo izvršiti u programuMS Excel ili u programuOOo Izračun.
Provjerite formatiranje boja ćelija i fontova na stranici “”.
Početni podaci:
1. Pišemo nazive tvari:
u ćeliju D3: Željezo
u ćeliju E3: Led
u ćeliju F3: Ledena voda
u ćeliju G3: Voda
u ćeliju G3: Zrak
2. Upisujemo nazive procesa:
u ćelije D4, E4, G4, G4: toplina
u ćeliju F4: topljenje
3. Specifični toplinski kapacitet tvari c u J/(kg*K) pišemo redom čelik, led, vodu i zrak
u ćeliju D5: 460
u ćeliju E5: 2110
u ćeliju G5: 4190
u ćeliju H5: 1005
4. Specifična toplina topljenja leda λ unijeti u J/kg
u ćeliju F6: 330000
5. Puno tvari m Unosimo u kg za čelik i led
u ćeliju D7: 3000
u ćeliju E7: 20
Budući da se masa ne mijenja kada se led pretvori u vodu, tada
u ćelijama F7 i G7: =E7 =20
Masu zraka nalazimo množenjem volumena prostorije specifičnom težinom
u ćeliji H7: =24*15*7*1,23 =3100
6. Vrijeme obrade t u minuti pišemo samo jednom za čelik
u ćeliju D8: 60
Vrijednosti vremena za zagrijavanje leda, njegovo topljenje i zagrijavanje nastale vode izračunavaju se iz uvjeta da se sva ova tri procesa moraju završiti u istom vremenu koje je predviđeno za zagrijavanje metala. Čitajte u skladu s tim
u ćeliji E8: =E12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8) =9,7
u ćeliji F8: =F12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8) =41,0
u ćeliji G8: =G12/(($E$12+$F$12+$G$12)/D8) =9,4
Zrak bi se također trebao zagrijati tijekom istog dodijeljenog vremena, čitamo
u ćeliji H8: =D8 =60,0
7. Početna temperatura svih tvari T1 Stavili smo ga na ˚C
u ćeliju D9: -37
u ćeliju E9: -37
u ćeliju F9: 0
u ćeliju G9: 0
u ćeliju H9: -37
8. Konačna temperatura svih tvari T2 Stavili smo ga na ˚C
u ćeliju D10: 18
u ćeliju E10: 0
u ćeliju F10: 0
u ćeliju G10: 18
u ćeliju H10: 18
Mislim da ne bi trebalo biti nikakvih pitanja u vezi s klauzulama 7 i 8.
Rezultati izračuna:
9. Količina topline Q u KJ, potrebnih za svaki od procesa, izračunavamo
za grijanje čelika u ćeliji D12: =D7*D5*(D10-D9)/1000 =75900
za grijanje leda u ćeliji E12: =E7*E5*(E10-E9)/1000 = 1561
za topljenje leda u ćeliji F12: =F7*F6/1000 = 6600
za grijanje vode u ćeliji G12: =G7*G5*(G10-G9)/1000 = 1508
za grijanje zraka u ćeliji H12: =H7*H5*(H10-H9)/1000 = 171330
Očitavamo ukupnu količinu toplinske energije potrebne za sve procese
u spojenoj ćeliji D13E13F13G13H13: =SUM(D12:H12) = 256900
U ćelijama D14, E14, F14, G14, H14 i kombiniranoj ćeliji D15E15F15G15H15 količina topline je navedena u mjernoj jedinici luka - u Gcal (u gigakalorijama).
10. Toplinska snaga N izračunava se u kW potrebna za svaki od procesa
za grijanje čelika u ćeliji D16: =D12/(D8*60) =21,083
za grijanje leda u ćeliji E16: =E12/(E8*60) = 2,686
za topljenje leda u ćeliji F16: =F12/(F8*60) = 2,686
za grijanje vode u ćeliji G16: =G12/(G8*60) = 2,686
za grijanje zraka u ćeliji H16: =H12/(H8*60) = 47,592
Ukupna toplinska snaga potrebna za završetak svih procesa u vremenu t proračunati
u spojenoj ćeliji D17E17F17G17H17: =D13/(D8*60) = 71,361
U ćelijama D18, E18, F18, G18, H18 i kombiniranoj ćeliji D19E19F19G19H19 toplinska snaga je dana u mjernoj jedinici luka - u Gcal/sat.
Time je izračun u Excelu dovršen.
Zaključci:
Imajte na umu da zagrijavanje zraka zahtijeva više nego dvostruko više energije nego zagrijavanje iste mase čelika.
Grijanje vode košta dvostruko više energije nego grijanje leda. Proces taljenja troši višestruko više energije nego proces zagrijavanja (pri maloj temperaturnoj razlici).
Grijanje vode zahtijeva deset puta više toplinske energije nego grijanje čelika i četiri puta više nego grijanje zraka.
Za primanje informacije o izdavanju novih članaka i za preuzimanje radnih programskih datoteka Molim vas da se pretplatite na obavijesti u prozoru koji se nalazi na kraju članka ili u prozoru na vrhu stranice.
Nakon što unesete svoju adresu e-pošte i kliknete na gumb "Primaj najave članaka". NE ZABORAVI POTVRDI PRETPLATA klikom na poveznicu u pismu koje će vam odmah stići na navedenu e-mail adresu (ponekad u mapi « Spam » )!
Prisjetili smo se pojmova “količina topline” i “toplinska snaga”, ispitali temeljne formule prijenosa topline i analizirali praktični primjer. Nadam se da je moj jezik bio jednostavan, jasan i zanimljiv.
Čekam pitanja i komentare na članak!
preklinjem POŠTUJUĆI datoteka za preuzimanje autorskog rada NAKON PRETPLATE za najave članaka.
