Теплозащитные покрытия

Тугоплавкие теплозащитные покрытия. К тугоплавким относятся покрытия с малыми значениями коэффициента теплопроводности, которые не разрушаются высокотемпературным газовым потоком. Поэтому их размер (толщина) не изменяется в процессе работы. Покрытие, наносимое на поверхность защищаемой стенки со стороны горячего теплоносителя, представляет собой дополнительное тепловое сопротивление между стенкой и теплоносителем.

На стационарном режиме теплозащитное покрытие позволяет уменьшить температуру защищаемой стенки лишь при наличии теплового потока через стенку, т.е. при наличии отвода теплоты от неё, например, за счёт конвективного охлаждения.

Принципиальная схема организации такой тепловой защиты показана на рис. 4.15. Здесь же даны обозначения характерных температур и других параметров, относящихся к процессу теплопередачи.

Рис. 4.15

Рассмотрим влияние теплозащитного покрытия на значение температуры стенки на стороне горячего газа. Будем считать для простоты, что применение покрытия не влияет на температуры охладителя и горячего газа , а также на значения коэффициентов теплоотдачи и .

Слой теплозащитного покрытия увеличивает общее тепловое сопротивление стенки и, как видно из формулы , снижает плотность теплового потока.

Из уравнения Ньютона определим температуру защищаемой стенки на стороне охладителя: .

В то же время, согласно закону Фурье, эта температура равна

.

Тогда, приравнивая правые части этих уравнений, получим формулу для определения температуры стенки на её поверхности, омываемой горячим газом .

Нанесение слоя теплозащитного покрытия толщиной d с низким значением коэффициента теплопроводности l приводит к заметному снижению плотности теплового потока q через стенку, что в свою очередь ведет к уменьшению температуры стенки как на стороне горячего газа Т _ст.г, так и на стороне охладителя Т _ст.х. При этом снижение температур оказывается тем значительнее, чем больше тепловое сопротивление покрытия.

Вместе с тем температура поверхности самого покрытия со стороны горячего газа Т будет больше температуры стенки , которую она имела бы без покрытия. Это объясняется тем, что, при уменьшении плотности теплового потока через стенку и постоянном значении , температура поверхности покрытия приближается к температуре горячего газа. На рис. 4.15 показан характер изменения температуры по толщине стенки (координате y) при наличии покрытия (сплошная линия) и без него (штриховая линия).

Уносимые теплозащитные покрытия. В отличие от тугоплавких, эти покрытия в процессе работы разрушаются. В уносимых покрытиях при их нагреве до определённого значения температуры происходят фазовые превращения (сублимация, плавление, испарение) или химические превращения с последующим уносом продуктов этих превращений газовым потоком. Теплота, подводимая от газа к поверхности покрытия, в основном расходуется на эти эндотермические превращения, и поэтому тепловой поток, идущий в глубь материала покрытия и далее в защищаемую стенку, практически отсутствует. Кроме того, продукты разрушения покрытия (жидкие и газообразные) создают у его поверхности пограничный слой, который уменьшает теплоотдачу от горячего газа в покрытие подобно тому, как это происходит при заградительном охлаждении.

Совокупность процессов, протекающих на поверхности уносимого покрытия, называется абляцией. Важной характеристикой уносимого покрытия является теплота абляции . Это количество теплоты, которое расходуется на разрушение единицы массы материала покрытия. Оно складывается из теплоты, расходуемой на нагрев материала покрытия, и теплоты, затрачиваемой на осуществление фазовых переходов или химических реакций. Чем больше значение , тем (при прочих равных условиях) медленнее разрушается покрытие и, следовательно, будет меньше его потребная толщина или больше время работы.

Теплота плавления, в общем случае, значительно меньше теплоты сублимации. Поэтому теплота абляции оплавляющихся покрытий имеет сравнительно небольшое значение. Их эффективность значительно возрастает, если взаимодействие образовавшейся при плавлении жидкой плёнки с горячим газом приводит к её испарению.

В качестве уносимых теплозащитных покрытий могут применяться, как уже отмечалось, также материалы, в которых при нагреве протекают химические реакции (например, реакции разложения) с образованием газообразных продуктов и обугленного слоя. Газообразные продукты разложения уносятся потоком горячего теплоносителя, а обугленный слой выполняет роль теплоизолятора.

Уносимые покрытия широко используются в ракетной и космической технике.