Нагрівання атмосферного повітря. Нагрівання атмосфери Попередній розрахунок поверхні нагріву насадки

Коли сонце гріє сильніше – коли воно стоїть вище над головою чи коли нижче?

Сонце гріє сильніше, коли стоїть вище. Сонячні промені в цьому випадку падають під прямим або близьким до прямого кута.

Які види обертання Землі вам відомі?

Земля обертається навколо своєї осі та навколо Сонця.

Чому на Землі відбувається зміна дня та ночі?

Зміна дня та ночі – результат осьового обертання Землі.

Визначте, як відрізняється кут падіння сонячних променів 22 червня та 22 грудня на паралелях 23,5° пн. ш. та ю. ш.; на паралелях 66,5 ° пн. ш. та ю. ш.

22 червня кут падіння сонячних променів на паралелі 23,50 пн.ш. 900, пд.ш. - 430. На паралелі 66,50 пн.ш. - 470, 66,50 пд.ш. – ковзний кут.

22 грудня кут падіння сонячних променів на паралелі 23,50 пн.ш. 430, пд.ш. - 900. На паралелі 66,50 пн.ш. - ковзний кут, 66,50 пд.ш. - 470.

Подумайте, чому найтепліші та найхолодніші місяці - не червень і грудень, коли сонячні промені мають найбільший і найменший кути падіння на земну поверхню.

Атмосферне повітря нагрівається від поверхні землі. Тому у червні відбувається нагрівання земної поверхні, а температура досягає максимуму у липні. Теж відбувається взимку. У грудні вихолоджується земна поверхня. У січні остигає повітря.

Визначте:

середню добову температуру за показниками чотирьох вимірювань за добу: -8°С, -4°С,+3°С,+1°С.

Середньодобова температура -20С.

середню річну температуруМосква, використовуючи дані таблиці.

Середньорічна температура 50С.

Визначте добову амплітуду температур показників термометрів малюнку 110, в.

Амплітуда температур малюнку в 180С.

Визначте, на скільки градусів річна амплітуда у Красноярську більше, ніж у Санкт-Петербурзі, якщо Середня температуралипня в Красноярську +19 ° С, а січня--17 ° С; у Санкт-Петербурзі +18°С та -8°С відповідно.

Амплітуда температур у Красноярську 360С.

Амплітуда температур у Санкт-Петербурзі 260С.

Амплітуда температур у Красноярську більша на 100С.

Запитання та завдання

1. Як відбувається нагрівання повітря атмосфери?

Пропускаючи сонячне проміння, атмосфера від нього майже нагрівається. Нагрівається ж земна поверхня, і сама стає джерелом тепла. Саме від неї нагрівається атмосферне повітря.

2. Наскільки градусів зменшується температура у тропосфері під час підйому на кожні 100 м?

При підйомі нагору на кожен кілометр температура повітря знижується на 6 0С. Отже, на 0,60 на кожні 100 м-коду.

3. Обчисліть температуру повітря за боротом літака, якщо висота польоту 7 км, а температура біля Землі +200С.

Температура підйому на 7 км знизиться на 420. Значить, температура за бортом літака становитиме -220.

4. Чи можна в горах на висоті 2500 м зустріти влітку льодовик, якщо біля підніжжя гір температура +250С.

Температура на висоті 2500 м становитиме +100С. Льодовик на висоті 2500 м не зустрінеться.

5. Як і чому змінюється температура повітря протягом доби?

Вдень сонячні промені висвітлюють земну поверхню і прогрівають її, від неї нагрівається повітря. Вночі надходження сонячної енергіїприпиняється, і поверхня разом із повітрям поступово остигає. Сонце найвище стоїть над горизонтом опівдні. У цей час надходить найбільше сонячної енергії. Однак найвища температура спостерігається через 2-3 години після полудня, оскільки на передачу тепла від поверхні Землі до тропосфери потрібен час. Найнижча температура буває перед сходом сонця.

6. Від чого залежить різниця у нагріванні поверхні Землі протягом року?

Протягом року на одній і тій же території сонячне проміння падає на поверхню по-різному. Коли кут падіння променів більш стрімкий, поверхня отримує більше сонячної енергії, температура повітря підвищується і настає літо. Коли сонячні промені нахилені сильніше, поверхня нагрівається слабо. Температура повітря тим часом знижується, і настає зима. Найтепліший місяць у Північній півкулі – липень, а найхолодніший – січень. У Південній півкулі- навпаки: найхолодніший місяць року – липень, а найтепліший – січень.

2005-08-16

У низці випадків можна значно зменшити капітальні та експлуатаційні витрати, забезпечивши автономне опалення приміщень теплим повітрям на основі застосування теплогенераторів, що працюють на газі або рідкому паливі. У таких агрегатах нагрівається не вода, а повітря - свіже припливне, рециркуляційне або змішане. Такий спосіб є особливо ефективним для забезпечення автономного опалення виробничих приміщень, виставкових павільйонів, майстерень, гаражів, станцій. технічне обслуговування, автомобільних мийок, кіностудій, складів, громадських будівель, спортзалів, супермаркетів, теплиць, оранжерей, тваринницьких комплексів, птахоферм тощо.

Переваги повітряного опалення

Переваг повітряного способу опалення перед традиційним водяним у великих за обсягом приміщеннях багато, перерахуємо лише основні:

1. Економічність. Тепло проводиться безпосередньо в приміщенні, що нагрівається і практично повністю витрачається за призначенням. Завдяки прямому спалюванню палива без проміжного теплоносія досягається високий тепловий ККД усієї системи опалення: 90-94% - для рекуперативних нагрівачів і майже 100% - для систем прямого нагріву. Застосування програмованих термостатів забезпечує можливість додаткової економії від 5 до 25% теплової енергії за рахунок функції «чергового режиму» - автоматичної підтримки температури в приміщенні в неробочий час на рівні +5-7°С.
2. Можливість "включити" припливну вентиляцію. Ні для кого не секрет, що сьогодні на більшості підприємств припливна вентиляція не працює належним чином, що значно погіршує умови роботи людей та впливає на продуктивність праці. Теплогенератори або системи прямого нагріву прогрівають повітря на ∆t до 90 ° С - цього цілком достатньо для того, щоб "змусити" працювати припливну вентиляцію навіть в умовах Крайньої Півночі. Таким чином, повітряне опалення має на увазі не тільки економічну ефективність, а й покращення екологічної обстановки та умов праці.
3. Мала інерційність. Агрегати систем повітряного опалення за лічені хвилини виходять на робочий режим, а за рахунок високої оборотності повітря приміщення повністю прогрівається всього за кілька годин. Це дає можливість оперативно та гнучко маневрувати при зміні потреб у теплі.
4. Відсутність проміжного теплоносія дозволяє відмовитися від будівництва та утримання малоефективної для великих приміщень системи водяного опалення, котельні, теплотрас та станції водопідготовки. Виключаються втрати у теплотрасах та їх ремонт, що дозволяє різко знизити експлуатаційні витрати. У зимовий часвідсутня ризик розморожування калориферів та системи опалення у разі тривалого відключення системи. Охолодження навіть до глибокого мінусу не призводить до розморожування системи.
5. Високий ступінь автоматизації дозволяє виробляти ту кількість тепла, в якому є необхідність. У поєднанні з високою надійністю газового обладнання це значно підвищує безпеку системи опалення, а для її експлуатації достатньо обслуговуючого персоналу.
6. Мінімальні витрати. Спосіб опалення великих приміщень за допомогою теплогенераторів один з найдешевших і швидко реалізованих. Капітальні витрати на будівництво чи реконструкцію повітряної системи, як правило, значно нижчі витрати на організацію водяного або променистого опалення. Термін окупності капітальних витрат зазвичай не перевищує одного-двох опалювальних сезонів.

Залежно від розв'язуваних завдань, у системах повітряного опалення можуть застосовуватись нагрівачі різного типу. У цій статті ми розглянемо тільки агрегати, що працюють без застосування проміжного теплоносія - рекуперативні повітронагрівачі (з теплообмінником та відведенням продуктів згоряння назовні) та системи прямого нагріву повітря (газові змішувальні повітронагрівачі).

Рекуперативні повітронагрівачі

У агрегатах цього паливо, змішане з необхідною кількістю повітря, подається пальником в камеру згоряння. Продукти горіння, що утворилися, проходять через дво- або триходовий теплообмінник. Тепло, отримане при згорянні палива, передається повітрі, що нагрівається, через стінки теплообмінника, а димові гази через димохід відводяться назовні (рис. 1) — саме тому їх називають теплогенераторами «непрямого нагріву».

Рекуперативні повітронагрівачі можуть бути використані не тільки безпосередньо для опалення, але й у складі системи вентиляції припливу, а також для технологічного нагріву повітря. Номінальна теплова потужність таких систем становить від 3 кВт до 2 МВт. Подача повітря в приміщення здійснюється через вбудований або виносний нагнітаючий вентилятор, що дає можливість використання агрегатів як для прямого підігріву повітря з видачею його через жалюзійні решітки, так і з повітропроводами.

Обмиваючи камеру згоряння і теплообмінник, повітря нагрівається і направляється безпосередньо в опалювальне приміщення через розташовані у верхній частині жалюзійні решітки повітря, або розподіляється по системі повітроводів. На лицьовій частині теплогенератора розташований автоматизований блоковий пальник (рис. 2).

Теплообмінники сучасних повітронагрівачів, як правило, виготовлені з нержавіючої сталі (топка з жароміцної сталі) і служать від 5 до 25 років, після яких можуть бути відремонтовані або замінені. ККД сучасних моделей досягає 90-96%. Головна перевага рекуперативних повітронагрівачів - їхня універсальність.

Вони можуть працювати на природному чи зрідженому газі, дизельному паливі, нафті, мазуті чи відпрацьованому маслі – варто лише поміняти пальник. Існує можливість роботи зі свіжим повітрям, з підмішуванням внутрішнього та в режимі повної рециркуляції. Така система дозволяє деякі вільності, наприклад, змінювати витрату повітря, що нагрівається, «на ходу» перерозподіляти потоки нагрітого повітря в різні гілки повітроводів за допомогою спеціальних клапанів.

Влітку рекуперативні повітронагрівачі можуть працювати в режимі вентиляції. Монтуються агрегати як у вертикальному, так і горизонтальному положенні, на підлозі, стіні, або вбудовуються в секційну венткамеру в якості секції нагрівача.

Рекуперативні повітронагрівачі можуть бути використані навіть для опалення приміщень високої категорії комфортності, якщо сам агрегат буде винесений за межі зони безпосереднього обслуговування.

Основні недоліки:

1. Великий та складний теплообмінник збільшує вартість та вагу системи, порівняно з повітронагрівачами змішувального типу;
2. Потребують димової труби і відведення конденсату.

Системи прямого нагріву повітря

Сучасні технологіїдозволили досягти такої чистоти спалювання природного газу, що з'явилася можливість не відводити продукти згоряння «в трубу», а використовувати їх для прямого нагрівання повітря в системах вентиляції припливу. Газ, що надходить на горіння, повністю згоряє в потоці повітря, що нагрівається і, змішуючись з ним, віддає йому все тепло.

Цей принцип реалізований у ряді аналогічних конструкцій рамкового пальника в США, Англії, Франції та Росії та з успіхом використовується з 60-х років XX століття на багатьох підприємствах Росії та за кордоном. Засновані на принципі надчистого спалювання природного газу безпосередньо в потоці повітря, що нагрівається, газові змішувальні повітронагрівачі типу STV (STARVEINE — «зоряний вітер») виробляються з номінальною тепловою потужністю від 150 кВт до 21 МВт.

Сама технологія організації горіння, а також високий ступінь розведення продуктів горіння дозволяють отримати в установках чисте тепле повітря відповідно до всіх діючих норм, що практично не містить шкідливих домішок (не більше 30% ГДК). Повітронагрівачі STV (рис. 3) складаються з модульного пальника, розташованого всередині корпусу (ділянки повітроводу), газової лінії DUNGS (Німеччина) та системи автоматики.

Корпус, як правило, оснащений гермодверем для зручності обслуговування. Пальниковий блок, залежно від необхідної теплової потужності, компонується з необхідної кількостіпальникових секцій різної конфігурації. Автоматика нагрівачів забезпечує плавний автоматичний пуск по циклограмі, контроль параметрів безпечної роботи та можливість плавного регулювання теплової потужності (1:4), що дозволяє автоматично підтримувати необхідну температуру повітря в приміщенні, що опалюється.

Застосування газових змішувальних повітронагрівачів

Головне їх призначення - пряме нагрівання свіжого припливного повітря, що подається у виробничі приміщення для компенсації. витяжної вентиляціїта покращення, таким чином, умов роботи людей.

Для приміщень з великою кратністю повітрообміну виникає доцільність суміщення системи припливної вентиляції та системи опалення — у цьому плані системи прямого нагріву не мають конкурентів за співвідношенням ціна/якість. Газові змішувальні повітронагрівачі призначені для:

• автономного повітряного опалення приміщень різного призначення з великим повітрообміном (К?
• нагріву повітря в повітряно-теплових завісах відсікового типу, можливе поєднання з системами опалення та припливної вентиляції;
• систем передпускового підігріву двигунів автомобілів на неопалюваних стоянках;
• відігріву та відтайки вагонів, цистерн, автомобілів, сипких матеріалів, нагрівання та сушіння виробів перед фарбуванням або іншими видами обробки;
• прямого нагріву атмосферного повітряабо сушильного агента в різних установках технологічного нагріву та сушіння, наприклад, сушіння зерна, трави, паперу, текстилю, деревини; застосування в камерах фарбування та сушіння після фарбування тощо.

Розміщення

Змішувальні нагрівачі можуть бути вбудовані в повітряні канали систем припливної вентиляції та теплових завіс, у повітропроводи сушильних установок - як на горизонтальних, так і на вертикальних ділянках. Можуть монтуватися на підлозі чи майданчику, під стелею чи стіні. Розміщуються, як правило, в припливно-вентиляційних камерах, але можлива їх установка і безпосередньо в опалювальному приміщенні (відповідно до категорії).

При додатковому устаткуваннівідповідними елементами можуть обслуговувати приміщення категорій А і Б. Рециркуляція внутрішнього повітря через змішувальні повітронагрівачі небажана - можливе суттєве зниження рівня кисню в приміщенні.

Сильні сторонисистем прямого нагріву

Простота та надійність, низька собівартість та економічність, можливість нагрівання до високих температур, високий ступінь автоматизації, плавне регулювання, не потребують улаштування димаря. Пряме нагрівання - найекономічніший спосіб - ККД системи дорівнює 99,96%. Рівень питомих капітальних витрат за систему опалення з урахуванням установки прямого нагріву, поєднаної з припливної вентиляцією, найнижчий за високого рівня автоматизації.

Повітронагрівачі всіх типів оснащені системою автоматики безпеки та управління, що забезпечує плавний пуск, підтримка режиму нагрівання та відключення у разі виникнення аварійних ситуацій. З метою енергозбереження можливе оснащення повітронагрівачів автоматикою регулювання з урахуванням зовнішньої та контролем. внутрішньої температури, функціями добового та тижневого режимів програмування нагріву.

Можливе також включення параметрів системи опалення, що складається з багатьох опалювальних агрегатів, до системи централізованого керування та диспетчеризації. У цьому випадку оператор-диспетчер матиме оперативну інформацію про роботу та стан опалювальних агрегатів, що наочно відображена на моніторі комп'ютера, а також керуватиме режимом їх роботи безпосередньо з віддаленого диспетчерського пункту.

Мобільні теплогенератори та теплові гармати

Призначені для тимчасового використання - на будівництвах, для опалення в міжсезонні періоди, технологічного нагрівання. Мобільні теплогенератори та теплові гармати працюють на пропані (зрідженому балонному газі), дизельному паливі або гасі. Можуть бути як прямого нагріву, і з відведенням продуктів згоряння.

Типи систем автономного повітряного опалення

Для автономного теплопостачання різних приміщень застосовуються різні типи систем повітряного опалення - з централізованим розподілом тепла та децентралізовані; системи, що працюють повністю на приплив свіжого повітря або з повною/частковою рециркуляцією внутрішнього повітря.

У децентралізованих системах повітряного опалення нагрівання та циркуляція повітря в приміщенні здійснюються автономними теплогенераторами, розташованими в різних ділянках або робочих зонах – на підлозі, стіні та під дахом. Повітря з нагрівачів подається безпосередньо до робочої зони приміщення. Іноді задля кращого розподілу теплових потоків теплогенератори оснащують невеликими (локальними) системами повітроводів.

Для агрегатів у такому виконанні характерна мінімальна потужність електродвигуна вентилятора, тому децентралізовані системи економічніші у плані витрати електроенергії. Можливе також використання повітряно-теплових завіс як частини системи повітряного опалення або вентиляції припливу.

Можливість локального регулювання та використання теплогенераторів у міру необхідності — по зонах, різний часдає можливість значного зниження витрат на паливо. Однак капітальні витрати на реалізацію цього способу дещо вищі. У системах із централізованим розподілом тепла використовуються повітряно-опалювальні агрегати; тепле повітря, що виробляється ними, надходить у робочі зони за системою повітроводів.

Установки, як правило, вбудовуються в існуючі венткамери, але допускається можливість розміщення їх безпосередньо в приміщенні, що обігрівається, — на підлозі або на майданчику.

Застосування та розміщення, підбір обладнання

У кожного з типів перерахованих вище опалювальних агрегатів є свої незаперечні переваги. І немає готового рецепту, в якому разі який із них доцільніший — це залежить від багатьох факторів: величини повітрообміну у співвіднесенні з величиною тепловтрат, категорії приміщення, наявності вільного місцядля розміщення обладнання від фінансових можливостей. Спробуємо сформувати найбільш загальні принципидоцільного підбору устаткування.

1. Системи опалення для приміщень з невеликим повітрообміном.

Сумарна теплова потужність теплогенераторів у цьому випадку приймається практично рівною кількості тепла, необхідного для компенсації тепловтрат приміщення, вентиляція порівняно мала, тому тут доцільно застосування системи опалення на основі теплогенераторів непрямого нагріву з повною або частковою рециркуляцією внутрішнього повітря приміщення.

Вентиляція в таких приміщеннях може бути природною або з підмішуванням вуличного повітря до рециркулюючого. У другому випадку потужність нагрівачів збільшують на величину, достатню для нагрівання свіжого повітря припливу. Така система опалення може бути місцевою, з підлоговими або настінними теплогенераторами.

При неможливості розміщення установки в приміщенні, що опалюється, або при організації обслуговування декількох приміщень можна застосувати систему централізованого типу: теплогенератори розташувати у венткамері (пристрій, на антресолях, в сусідньому приміщенні), а тепло розподіляти по повітроводах.

У робочий час теплогенератори можуть працювати в режимі часткової рециркуляції, попутно нагріваючи припливне повітря, що підмішується, в неробоче можна деякі з них відключати, а ті, що залишилися переводити на економічний черговий режим +2-5°С з повною рециркуляцією.

2. Системи опалення для приміщень з великою кратністю повітрообміну, що постійно потребують подачі великих об'ємів припливного свіжого повітря (Квоздухообміну 

У цьому випадку кількість тепла, необхідне для нагрівання припливного повітря, може вже в кілька разів перевищувати кількість тепла, необхідну компенсації тепловтрат. Тут найбільш доцільним та економічним є поєднання системи повітряного опалення з системою припливної вентиляції. Система опалення може будуватися на основі установок прямого нагріву повітря або на основі застосування рекуперативних теплогенераторів у виконанні з підвищеним ступенем нагрівання.

Сумарна теплова потужність нагрівачів повинна дорівнювати сумі теплової потреби на нагрівання припливного повітря та тепла, необхідного для компенсації тепловтрат. У системах прямого нагріву відбувається нагрівання 100% вуличного повітря, забезпечуючи подачу необхідного об'єму повітря.

У робочий час вони нагрівають повітря від вуличної до розрахункової температури +16-40 ° С (з урахуванням перегріву для забезпечення компенсації тепловтрат). З метою економії в неробочий час можна вимикати частину нагрівачів для зниження витрати припливного повітря, а ті, що залишилися, перевести на черговий режим підтримки +2-5°С.

Рекуперативні теплогенератори в черговому режимі дозволяють забезпечити додаткову економію з допомогою переведення в режим повної рециркуляції. Найменші капітальні витрати при організації систем опалення централізованого типу - при застосуванні якомога більших нагрівачів. Капітальні витрати на газові змішувальні повітронагрівачі STV можуть становити від 300 до 600 руб/кВт встановленої теплової потужності.

3. Комбіновані системиповітряного опалення

Оптимальний варіант для приміщень зі значним повітрообміном у робочий час при однозмінному режимі роботи, або переривчастому робочому циклі - коли різниця в необхідності подачі повітря і тепла протягом дня значна.

В цьому випадку доцільно роздільне функціонування двох систем: чергового опалення та припливної вентиляції, поєднаної із системою опалення (догрівання). При цьому в приміщенні, що опалюється, або у венткамерах встановлюються рекуперативні теплогенератори для підтримки тільки чергового режиму з повною рециркуляцією (при розрахунковій зовнішній температурі).

Система припливної вентиляції, суміщена з системою опалення, забезпечує нагрівання необхідного об'єму свіжого припливного повітря до +16-30 ° С і догрівання приміщення до необхідної робочої температури та з метою економії включається тільки в робочий час.

Будується вона або на основі рекуперативних теплогенераторів (з підвищеним ступенем нагріву), або на основі потужних систем прямого нагріву (що дешевше в 2-4 рази). Можлива комбінація припливної системидогріву з існуючою системою водяного опалення (може залишатися черговою), варіант застосовується також для стадійної модернізації існуючої системи опалення та вентиляції.

За такого способу експлуатаційні витрати будуть найменшими. Таким чином, застосовуючи повітронагрівачі різних типіву різних комбінаціях, можна вирішити одночасно обидві завдання - і опалення, і вентиляцію припливу.

Прикладів застосування систем повітряного опалення дуже багато та можливості комбінації їх надзвичайно різноманітні. У кожному разі необхідно провести теплові розрахунки, врахувати всі умови застосування та виконати кілька варіантів підбору обладнання, порівнюючи їх за доцільністю, величиною капітальних витрат та експлуатаційних витрат.

Дослідження, проведені на рубежі 1940-1950-х років, дозволили розробити низку аеродинамічних та технологічних рішень, що забезпечують безпечне подолання звукового бар'єру навіть серійними літаками. Тоді здавалося, що підкорення звукового бар'єру створює необмежену можливість подальшого збільшення швидкості польоту. Буквально за кілька років було облітано близько 30 типів надзвукових літаків, з яких значну кількість запустили в серійне виробництво.

Різноманітність використаних рішень призвела до того, що багато проблем, пов'язаних з польотами на великих надзвукових швидкостях, були всебічно вивчені та вирішені. Однак зустрілися нові проблеми, значно складніші за звуковий бар'єр. Вони викликані нагріванням конструкції літального апаратупри польоті з великою швидкістю щільних шарах атмосфери. Цю нову перешкоду свого часу назвали тепловим бар'єром. На відміну від звукового новий бар'єр не можна охарактеризувати постійної, подібної швидкості звуку, оскільки він залежить як від параметрів польоту (швидкості та висоти) та конструкції планера (конструктивних рішень та використаних матеріалів), так і від обладнання літака (системи кондиціювання, охолодження тощо). п.). Таким чином, у поняття «тепловий бар'єр» входить не тільки проблема небезпечного нагрівання конструкції, але також такі питання, як теплообмін, властивості міцності матеріалів, принципи конструювання, кондиціювання повітря і т.п.

Нагрів літака в польоті відбувається головним чином з двох причин: від аеродинамічного гальмування повітряного потоку та від тепловиділення рухової установки. Обидва ці явища становлять процес взаємодії між середовищем (повітрям, вихлопними газами) та обтічним твердим тілом(Літаком, двигуном). Друге явище типове для всіх літаків, і пов'язане воно з підвищенням температури елементів конструкції двигуна, що сприймають тепло від повітря, стисненого в компресорі, а також продуктів згоряння в камері і вихлопній трубі. При польоті з великими швидкостями внутрішній нагрів літака відбувається також від повітря, що гальмується в повітряному каналі перед компресором. При польоті на малих швидкостях повітря, що проходить через двигун, має відносно низьку температуру, внаслідок чого небезпечне нагрівання елементів конструкції планера не відбувається. При великих швидкостях польоту обмеження нагрівання конструкції планера від гарячих елементів двигуна забезпечується за допомогою додаткового охолодження низькою температури повітрям. Зазвичай використовується повітря, що відводиться від повітрозабірника за допомогою направляючої, що відокремлює прикордонний шар, а також повітря, яке захоплюється з атмосфери за допомогою додаткових забірників, розміщених на поверхні гондоли двигуна. У двоконтурних двигунах для охолодження використовується також повітря зовнішнього (холодного) контуру.

Таким чином, рівень теплового бар'єру для надзвукових літаків визначається зовнішнім аеродинамічним нагріванням. Інтенсивність нагрівання поверхні, що обтікає потоком повітря, залежить від швидкості польоту. При малих швидкостях цей нагрів такий незначний, що підвищення температури може не братися до уваги. При великій швидкості повітряний потік має високу кінетичну енергію, у зв'язку з чим підвищення температури може бути значним. Стосується це і температури всередині літака, оскільки високошвидкісний потік, загальмований в повітрозабірнику і стиснутий в компресорі двигуна, набуває настільки високу температуру, що виявляється не в змозі відводити тепло від гарячих частин двигуна.

Зростання температури обшивки літака внаслідок аеродинамічного нагріву викликається в'язкістю повітря, що обтікає літак, а також його стисненням на лобових поверхнях. Внаслідок втрати швидкості частинками повітря в прикордонному шарі в результаті тертя в'язкісного відбувається підвищення температури всієї обтічної поверхні літака. В результаті стиснення повітря температура зростає, правда, лише локально (цьому схильні головним чином носова частина фюзеляжу, лобове скло кабіни екіпажу, а особливо передні кромки крила і оперення), але частіше досягає значень, небезпечних для конструкції. В цьому випадку в деяких місцях відбувається майже пряме зіткнення потоку повітря з поверхнею та повне динамічне гальмування. Відповідно до принципу збереження енергії вся кінетична енергія потоку при цьому перетворюється на теплову та енергію тиску. Відповідне підвищення температури прямо пропорційно квадрату швидкості потоку до гальмування (або, без урахування вітру – квадрату швидкості літака) і обернено пропорційно висоті польоту.

Теоретично, якщо обтікання має характер, погода безвітряна і безхмарна і не відбувається перенесення тепла за допомогою випромінювання, то тепло не проникає всередину конструкції, а температура обшивки близька до так званої температури адіабатичного гальмування. Залежність її від числа Маха (швидкості та висоти польоту) наведена в табл. 4.

У дійсних умовах підвищення температури обшивки літака від аеродинамічного нагріву, тобто різниця між температурою гальмування і температурою оточення, виходить дещо меншою через теплообмін з середовищем (за допомогою випромінювання), сусідніми елементами конструкції тощо. Крім того, повне гальмування потоку відбувається лише в так званих критичних точках, розташованих на частинах літака, що виступають, а приплив тепла до обшивки залежить також від характеру прикордонного шару повітря (він більш інтенсивний для турбулентного прикордонного шару). Значне зниження температури відбувається також при польотах крізь хмари, особливо коли вони містять переохолоджені краплі води та кристалики льоду. Для таких умов польоту приймається, що зниження температури обшивки в критичній точці, порівняно з теоретичною температурою гальмування, може досягти навіть 20-40%.

Таблиця 4. Залежність температури обшивки від числа Маха

Проте загальне нагрівання літака в польоті з надзвуковими швидкостями (особливо на малій висоті) іноді таке високе, що підвищення температури окремих елементів планера та обладнання призводить або до їх руйнування, або, як мінімум, до необхідності зміни режиму польоту. Наприклад, при дослідженнях літака ХВ-70А в польотах на висотах більше 21 ТОВ м зі швидкістю М = 3 температура вхідних кромок повітрозабірника та передніх кромок крила становила 580-605 К, а решті обшивки 470-500 К. Наслідки підвищення температури елементів конструкції літака до таких високих значень можна оцінити повною мірою, якщо врахувати той факт, що вже при температурах близько 370 К розм'якшується органічне скло, що повсюдно використовується для скління кабін, кипить паливо, а звичайний клей втрачає міцність. При 400 До значно знижується міцність дюралюмінію, при 500 До відбувається хімічне розкладання робочої рідини в гідросистемі і руйнування ущільнень, при 800 До втрачають необхідні механічні властивості титанові сплави, при температурі вище 900 До плавляться алюміній і магній. Підвищення температури призводить також до руйнування покриттів, з яких анодування та хромування можуть використовуватися до 570 К, нікелювання до 650 К, а сріблення до 720 До.

Після появи цієї нової перешкоди збільшення швидкості польоту почалися дослідження з метою виключити чи пом'якшити його наслідки. Способи захисту літака від ефектів аеродинамічного нагріву визначаються факторами, що перешкоджають зростанню температури. Крім висоти польоту та атмосферних умов, суттєвий вплив на ступінь нагріву літака надають:

- Коефіцієнт теплопровідності матеріалу обшивки;

- Величина поверхні (особливо лобової) літака; -час польоту.

Звідси випливає, що найпростішими способами зменшення нагрівання конструкції є збільшення висоти польоту та обмеження до мінімуму його тривалості. Ці способи використовувалися в перших надзвукових літаках (особливо експериментальних). Завдяки досить високій теплопровідності та теплоємності матеріалів, що використовуються для виготовлення теплонапружених елементів конструкції літака, від моменту досягнення літаком високої швидкості до моменту розігріву окремих елементів конструкції до розрахункової температури критичної точки проходить зазвичай достатньо великий час. У польотах, що тривають кілька хвилин (навіть на не великих висотах), руйнівні температури не досягаються. Політ на висотах відбувається в умовах низької температури (близько 250 К) і малої щільності повітря. Внаслідок цього кількість тепла, що віддається потоком поверхонь літака, невелика, а теплообмін протікає довше, що значно пом'якшує гостроту проблеми. Аналогічний результат дає обмеження швидкості літака малих висотах. Наприклад, під час польоту над землею зі швидкістю 1600 км/год міцність дюралюмінію знижується лише на 2%, а збільшення швидкості до 2400 км/год призводить до зниження його міцності на величину до 75% порівняно з початковим значенням.

Мал. 1.14. Розподіл температури в повітряному каналі та двигуні літака «Конкорд» при польоті з М = 2,2 (а) і температури обшивки літака ХВ-70А при польоті з постійною швидкістю 3200 км/год (б).

Однак необхідність забезпечення безпечних умов експлуатації у всьому діапазоні швидкостей і висот польоту, що використовуються, змушує конструкторів шукати відповідні технічні засоби. Оскільки нагрівання елементів конструкції літака викликає зниження механічних властивостей матеріалів, виникнення термічної напруги конструкції, а також погіршення умов роботи екіпажу та обладнання, такі технічні засоби, що використовуються в існуючій практиці, можна розділити на три групи. Вони відповідно включають застосування 1) теплостійких матеріалів, 2) конструктивних рішень, що забезпечують необхідну теплоізоляцію та допустиму деформацію деталей, а також 3) систем охолодження кабіни екіпажу та відсіків обладнання.

У літаках з максимальною швидкістю М = 2,0-1-2,2 широко застосовуються сплави алюмінію (дюралі), які характеризуються відносно високою міцністю, малою щільністю та збереженням властивостей міцності при невеликому підвищенні температури. Дюралі зазвичай доповнюються сталевими чи титановими сплавами, у тому числі виконуються частини планера, що піддаються найбільшим механічним чи тепловим навантаженням. Сплави титану знайшли застосування вже у першій половині 50-х спочатку в дуже невеликих масштабах (зараз деталі з них можуть становити до 30% маси планера). В експериментальних літаках з М ~ 3 стає необхідним застосування жароміцних сталевих сплавів як основного конструкційного матеріалу. Такі сталі зберігають хороші механічні властивості при високих температурах, характерних для польотів з гіперзвуковими швидкостями, але їх недоліками є висока вартість і щільність. Ці недоліки у певному сенсі обмежують розвиток високошвидкісних літаків, тому ведуться дослідження та інших матеріалів.

У 70-х роках здійснено перші досліди застосування у конструкції літаків берилію, а також композиційних матеріалів на базі волокон бору чи вуглецю. Ці матеріали поки що мають високу вартість, але для них характерні мала щільність, високі міцність і жорсткість, а також значна термостійкість. Приклади конкретних застосувань цих матеріалів для будівництва планера наведені в описах окремих літаків.

Іншим фактором, що істотно впливає на працездатність конструкції літака, що нагрівається, є ефект так званих термічних напруг. Виникають вони в результаті температурних перепадів між зовнішніми та внутрішніми поверхнями елементів, а особливо між обшивкою та внутрішніми елементами конструкції літака. Поверхневе нагрівання планера призводить до деформації його елементів. Наприклад, може статися таке викривлення обшивки крила, яке призведе до зміни аеродинамічних характеристик. Тому в багатьох літаках використовується паяна (іноді клеєна) багатошарова обшивка, яка відрізняється високою жорсткістю та хорошими ізоляційними властивостями, або застосовуються елементи внутрішньої конструкції з відповідними компенсаторами (наприклад, у літаку F-105 стінки лонжерону виготовляються з гофрованого листа). Відомі також досліди охолодження крила за допомогою палива (наприклад, літака Х-15), що протікає під обшивкою на шляху від бака до форсунок камери згоряння. Однак за високих температур паливо зазвичай піддається коксуванню, тому такі досліди можна вважати невдалими.

Наразі досліджуються різні методи, серед яких нанесення ізоляційного шару з тугоплавких матеріалів шляхом плазмового напилення. Інші методи, що вважалися перспективними, не знайшли застосування. Серед іншого пропонувалося використовувати «захисний шар», що створюється шляхом вдування газу на обшивку, охолодження «випотівання» за допомогою подачі на поверхню крізь пористу обшивку рідини з високою температурою випаровування, а також охолодження, що створюється плавленням та винесенням частини обшивки (абляційні матеріали).

Досить специфічним і водночас дуже важливим завданням є підтримання відповідної температури у кабіні екіпажу та у відсіках обладнання (особливо електронного), а також температури паливних та гідравлічних систем. В даний час ця проблема вирішується шляхом використання високопродуктивних систем кондиціювання, охолодження та рефрижерації, ефективної теплоізоляції, застосування робочих рідин гідросистем з високою температурою випаровування тощо.

Проблеми, пов'язані з тепловим бар'єром, мають вирішуватись комплексно. Будь-який прогрес у цій галузі відсуває бар'єр для цього типу літаків у бік більшої швидкості польоту, не виключаючи його як такого. Проте прагнення ще більших швидкостей призводить до створення ще більше складних конструкційта обладнання, що вимагають застосування якісніших матеріалів. Це помітним чином відбивається на масі, закупівельної вартості та на витратах з експлуатації та обслуговування літака.

З наведених у табл. 2 даних літаків-винищувачів видно, що здебільшого раціональною вважалася максимальна швидкість 2200-2600 км/год. Лише деяких випадках вважають, що швидкість літака має перевищувати М ~ 3. До літаків, здатних розвивати такі швидкості, ставляться експериментальні машини Х-2, ХВ-70А і Т. 188, розвідувальний SR-71, і навіть літак Е-266.

1* Рефрижерацією називається примусове перенесення тепла від холодного джерела до середовища з високою температурою при штучному протидії природному напрямку руху тепла (від теплого тіла до холодного, коли має місце процес охолодження). Найпростішим рефрижератором є холодильник.

Усі життєві процеси Землі обумовлені теплової енергією. Головним джерелом, від якого Земля і одержують теплову енергію, є Сонце. Воно випромінює енергію у вигляді різних променів. електромагнітних хвиль. Випромінювання Сонця у вигляді електромагнітних хвиль, що поширюються зі швидкістю 300000 км/с, називається , Що складається з променів різної довжини, що несуть до Землі світло і тепло.

Радіація буває пряма та розсіяна. Якби не було атмосфери, земна поверхня отримувала б тільки пряму радіацію. Тому радіацію, яка надходить безпосередньо від Сонця у вигляді прямих сонячних променів і при безхмарному небі називають прямою. Вона несе найбільшу кількість тепла та світла. Але, проходячи через атмосферу, сонячні промені частково розсіюються, відхиляються від прямого шляху в результаті відбиття від молекул повітря, крапельок води, порошин і переходять у промені, що йдуть у всіх напрямках. Така радіація називається розсіяною. Тому світло буває і в тих місцях, куди прямі сонячні промені (пряма радіація) не проникають (полог лісу, тіньовий бік скель, гір, будівель тощо). Розсіяна радіація зумовлює і колір неба. Всю сонячну радіацію, яка надходить до земної поверхні, тобто. пряму та розсіяну, називають сумарною. Земна поверхня, поглинаючи сонячну радіацію, нагрівається і стає джерелом випромінювання тепла в атмосферу. Воно називається земним випромінюванням, чи земної радіацією й у значною мірою затримується нижніми шарами атмосфери. Поглинена земною поверхнею радіація Сонця витрачається на нагрівання води, ґрунтів, повітря, випаровування та випромінювання в атмосферу. Земна, а не визначає температурний режимтропосфери, тобто. сонячні промені, що проходять через усі, її не нагрівають. Саме велика кількістьтепла одержують і нагріваються до найвищих температур нижні шари атмосфери, що безпосередньо прилягають до джерела тепла — земної поверхні. У міру віддалення від земної поверхні нагрівання слабшає. Саме тому у тропосфері з висотою знижується в середньому 0,6 ° С на кожні 100 м підйому. Це є загальна закономірність для тропосфери. Бувають випадки, коли вищележачі шари повітря виявляються теплішими за нижчі. Таке явище називається температурною інверсією.

Нагрівання земної поверхні значно різниться як у висоті. Кількість сумарної сонячної радіації безпосередньо залежить від кута падіння сонячних променів Чим ближча ця величина до 90°, тим більше сонячної енергії отримує земна поверхня.

У свою чергу кут падіння сонячних променів на певну точку земної поверхні визначається її географічною широтою. Сила прямої сонячної радіації залежить від довжини шляху, що проходить сонячне проміння в атмосфері. Коли Сонце у зеніті (у районі екватора), його промені падають на земну поверхню прямовисно, тобто. долають атмосферу найкоротшим шляхом (під 90°) та інтенсивно віддають свою енергію малої площі. У міру віддалення від екваторіальної зони на південь чи північ довжина шляху сонячних променів збільшується, тобто. зменшується кут їхнього падіння на земну поверхню. Промені все більше і більше починають ковзати по Землі і наближаються до дотичної лінії в районі полюсів. При цьому той же пучок енергії розсіюється на велику площу, збільшується кількість відбитої енергії. Таким чином, де сонячні промені падають на земну поверхню під кутом 90°, постійно високі, а в міру пересування до полюсів стає все холоднішим. Саме на полюсах, де сонячні промені падають під кутом 180° (тобто по дотичній), тепла найменше.

Така нерівномірність розподілу тепла на Землі, залежно від широти місця, дозволяє виділити п'ять теплових поясів: один спекотний, два і два холодних.

Умови нагрівання сонячної радіації води та суші дуже різні. Теплоємність води вдвічі більша, ніж суші. Це означає, що при однаковій кількості тепла суша нагрівається вдвічі швидше водиа при охолодженні відбувається зворотне. Крім того, вода при нагріванні випаровується, на що витрачається велика кількість тепла. На суші тепло зосереджується лише у верхньому її шарі, у глибину передається лише невелика його частина. У воді промені нагрівають відразу значну товщу, чому сприяє і вертикальне перемішування води. В результаті вода накопичує тепла набагато більше, ніж суша, утримує його довше і витрачає рівномірніше, ніж суша. Вона повільніше нагрівається та повільніше охолоджується.

Поверхня суші неоднорідна. Її нагрівання значною мірою залежить від фізичних властивостейгрунтів і льоду, експозиції (кута нахилу ділянок суші по відношенню до падаючих сонячних променів) схилів. Особливості поверхні, що підстилає, обумовлюють різний характер зміни температур повітря протягом доби і року. Найбільш низькі температуриповітря протягом доби на суші відзначаються незадовго до сходу Сонця (відсутність припливу сонячної радіації та сильне земне випромінювання вночі). Найбільш високі - після полудня (14-15 год). Протягом року в Північній півкулі найбільше високі температуриповітря на суші відзначаються у липні, а найнижчі – у січні. Над водною поверхнею добовий максимум температури повітря зміщений і відзначається о 15-16 год, а мінімум через 2-3 год після сходу Сонця. Річний максимум (у Північній півкулі) припадає на серпень, а мінімум – на лютий.