Проникающее (пористое) охлаждение

При проникающем охлаждении стенка изготавливается из пористого материала или имеет большое число мелких отверстий, равномерно расположенных на её поверхности. Эти отверстия создаются либо путём перфорации стенки, либо за счёт её изготовления из пористого материала.

Через отверстия охладитель подаётся в пограничный слой горячего газа (рис. 4.13). Поток охладителя через проницаемую стенку характеризуется расходонапряженностью, т.е. расходом, приходящимся на единицу площади охлаждаемой поверхности, g .

Вытекающий из отверстий охладитель уменьшает скорость и температуру горячего газового потока вблизи стенки и увеличивает толщину пограничного слоя. Это уменьшает коэффициент теплоотдачи от горячего газа в стенку. На рис. 4.13 схематично показаны границы пограничного слоя, профили скорости и температуры в нём при подаче охладителя через стенку (g > 0) и без неё (g = 0).

Характер влияния расходонапряженности охладителя g на интенсивность теплоотдачи показан на рис. 4.14. Здесь - относительный коэффициент теплоотдачи, определяемый как отношение коэффициентов теплоотдачи от горячего газа к стенке для проницаемой () и для сплошной () стенок

= .

При неизменных параметрах горячего газа и охладителя увеличение g уменьшает интенсивность теплообмена и соответственно уменьшает . Следует отметить, что, чем меньше молярная масса охладителя , тем больше уменьшает интенсивность теплоотдачи его применение. Это объясняется тем, что газы с меньшей молярной массой имеют более высокие значения теплоёмкости и удельного объёма.

Рис. 4.13	Рис. 4.14

Проникающее охлаждение по существу является комбинированным, так как в нём присутствуют элементы конвективного и заградительного охлаждения. Кроме того, при движении через стенку по малоразмерным каналам (порам или специально созданным отверстиям) охладитель (газ или жидкость) воспринимает теплоту от стенки и тем самым значительно уменьшает её температуру.

Определим температуру поверхности стенки со стороны горячего газа . Если количество отверстий в стенке велико, то охладитель, проходя через эти отверстия, принимает температуру, равную температуре стенки . Следовательно, охладитель воспринимает следующее количество теплоты

,

где - теплоемкость охладителя, а - температура охладителя на входе в систему охлаждения.

Составим тепловой баланс. Плотность теплового потока от горячего газа к стенке определяется формулой Ньютона

.

А стационарном режиме , поэтому

,

откуда , где .

Расчеты по этой формуле показывают, что при увеличении расходонапряженности охладителя g температура стенки со стороны газа уменьшается.

По сравнению с рассмотренными выше способами охлаждения (конвективным и заградительным) проникающее охлаждение позволяет получать более высокие значения относительной глубины охлаждения стенки и даёт выигрыш в расходе охладителя. Поэтому оно является перспективным для использования в системах тепловой защиты элементов силовых установок и других технических объектов, подверженных высокотемпературному воздействию (2000 К и более). Однако его применение связано с рядом трудностей. Проницаемые материалы обладают меньшей прочностью по сравнению со сплошными. Для подачи охладителя через стенку необходимо затрачивать некоторый перепад давления. И, наконец, из-за засорения проточных каналов стенки (пылью, окалиной и т.д.) она имеет пониженные сроки сохранения работоспособности.