25. Эффективность конвективного охлаждения. Анализ его выражения. Критерий оптимальности эффективного охлаждения

Для практических целей широко используется такая характеристика, как эффективность охлаждения , которая есть отношение теплового сопротивления на границе газ-стенка к общему тепловому сопротивлению (сумме сопротивлений газ-стенка, стенка, стенка-охлаждающий воздух) при равенстве тепловых потоков, то есть:

, откуда видно, что с увеличением теплоотдачи со стороны охлаждающего воздуха эффективность охлаждения приближается к асимптоте, меньшей 1. При очень хорошем охлаждении ( ) эффективность конвективного охлаждения не превосходит значения 0,5. Это значит, что при допустимой для длительной работы температуре поверхности лопатки турбины 1000⁰С и температуре охлаждающего воздуха 600⁰С максимально допустимая температура газа перед турбиной не должна превосходить 1600К. При дальнейшем увеличении термодинамической температуры необходимо вводить плёночное охлаждение.

Для увеличения интенсивности охлаждения эффективно используется оребрение, позволяющее увеличить площадь теплообмена, а также интенсифицировать перемешивание нагретых слоев воздуха у стенки с ядром потока. Необходимо иметь в виду, что интенсификация теплоотдачи со стороны охлаждающего воздуха приводит к росту гидравлических потерь и, соответственно, увеличению потребной мощности, затрачиваемой на прокачку охладителя. Поэтому при выборе схемы и параметров конвективного охлаждения необходимо оценивать так называемые насосные потери. В качестве критерия оценки эффективности оребрения обычно используется отношение Nu / f ^1,3 к (Nu / f ^1,3)_о , где f - коэффициент трения, равный

D - гидравлический диаметр

L - длина канала

индекс “о” относится к гладкому каналу.

Это отношение (Nu / f ^1,3) зависит от числа Re так, что с его увеличением оно уменьшается, т.е. потери на трение в оребренных каналах увеличиваются в большей степени, чем коэффициент теплоотдачи. Как правило, при одинаковых потерях на трение коэффициент теплоотдачи в оребренных каналах в 1,5...2,0 раза выше, чем в гладких.

26. Пленочное охлаждение. Эффективность пленочного охлаждения. Основной фактор влияния на эффективность

Суть плёночного охлаждения заключается в создании пристеночного слоя вблизи охлаждаемой поверхности за счет выдува охлаждающей жидкости (воздуха, водяного пара и т.п.) с температурой, меньшей, чем температура газа. В процессе выдува за счет перемешивания вблизи поверхности образуется «плёнка», т.е. смесь воздуха и газа с пониженной температурой. Эффективность плёночного охлаждения определяется подобно эффективности конвективного охлаждения:

.

Выдув пленки в поток может быть организован через щели или ряды отверстий. В последнем случае траектория струи охлаждающего воздуха отклоняется под воздействием внешнего потока. В результате реализующейся криволинейной траектории в струе возникает поперечный градиент давления и, соответственно, вторичное течение, которое усиливается за счет силы трения при обтекании струи внешним потоком. Это приводит к распаду охлаждающей струи на два противоположно вращающихся вихря (“почкообразный” вихрь). Струя охлаждающего воздуха может присоединиться к охлаждающей стенке, обеспечивая снижение температуры среды, взаимодействующей со стенкой. При определенных условиях (избыточном импульсе охлаждающего воздуха) эта струя может оторваться от поверхности и способствовать подсасыванию горячего газа на поверхность охлаждаемой стенки, существенно ухудшая эффективность пленочного охлаждения. В любом случае, непосредственно в районе выдува воздуха структура течения существенно трехмерна, чем обусловлены трудности математического моделирования охлаждения. Начиная примерно от расстояния, равного десяти диаметрам вниз по потоку (^x/_D > 10), структура течения близка к двумерной. Это дает возможность сформировать достаточно простую модель эффективности пленочного охлаждения, используя двумерную модель турбулентного пограничного слоя.