МЕТОДЫ ТЕПЛОВОЙ ЗАЩИТЫ
Многие элементы конструкций авиационной техники в процессе работы испытывают воздействие высоких температур, значения которых могут превосходить допустимые по условиям их прочности и работоспособности величины. В таких случаях необходимо применять специальную тепловую защиту, при которой температура этих элементов не превышала бы допустимого значения.
Наиболее распространённой тепловой защитой является конвективное охлаждение элементов конструкции, при котором горячий теплоноситель находится с одной стороны охлаждаемой поверхности, а охлаждающая жидкость (или газ) — с другой стороны.
Часто используется также заградительное охлаждение, когда у защищаемой стенки через щель или ряд отверстий по направлению движения горячего теплоносителя подаётся струя холодного газа, которая оттесняет горячий поток от стенки и тем самым защищает её теплового воздействия.
Разновидностью заградительного охлаждения является плёночное охлаждение, которое отличается от предыдущего тем, что через отверстия или специальные щели подаётся не газ, а охлаждающая жидкость, которая образует на поверхности защитную пленку. На испарение этой плёнки затрачивается теплота, что повышает эффект тепловой защиты. Во многих реальных конструкциях конвективное и заградительное охлаждение применяются совместно. Такое охлаждение называют комбинированным.
При проникающем (пористом)охлаждении защищаемая стенка выполняется проницаемой (пористой, перфорированной и т.д.) и через неё в пограничный слой горячего газа подаётся охлаждающий газ (или жидкость). Тепловая защита в этом случае, помимо заградительного эффекта, дополняется тем, что при движении холодного газа (или жидкости) сквозь стенку происходит ее дополнительное охлаждение.
Для уменьшения температуры стенки могут быть использованы и теплозащитные покрытияиз тугоплавких материалов с присущими им малыми значениями коэффициента теплопроводности 
(керамика, жаростойкие эмали и т.д.), которые наносятся на защищаемую стенку со стороны, омываемой горячим газом, и не разрушаются в процессе работы.
Применяются также уносимые покрытия, которые, в отличие от тугоплавких, в процессе работы разрушаются вследствие фазовых (сублимация, плавление, испарение) или химических превращений, протекающих с поглощением теплоты. Такие покрытия в принципе предназначены для одноразового применения.
Источник
Лекция 9. Тепловая защита конструкций
Лекция 9. Тепловая защита конструкций
· Влияние теплового режима на эффективность и качество конструкции РЭС
· Системы обеспечения теплового режима РЭС
· Метод нагретой зоны
9.1. Влияние теплового режима на эффективность и качество конструкции РЭС
Основные тенденции эволюции РЭС в микроэлектронном исполнении связаны с увеличением их сложности и снижением габаритов с одной стороны, и с увеличением требований к стабильности параметров – с другой. Это противоречивые требования, т. к. увеличение сложности и уменьшение габаритов приводят к увеличению напряженности теплового режима.
В месте установки аппаратуры могут быть локальные источники тепла (двигатели) и холода (баки с охлажденным горючим, резервуары с охладителем для повышения чувствительности фотоприемников, напр.). Само РЭС обычно является источником теплоты вследствие того, что его КПД менее 100% (КПД приемника на электронно-вакуумных лампах составляет менее 1%, транзисторный усилитель
50%), т. е. значительное количество подведенной к аппаратуре энергии выделяется в виде теплоты. Если эта энергия не рассеивается в элементах конструкции или окружающем пространстве, то повышается температура устройства и интенсивность отказов. Например, для блоков РЭС с воздушным охлаждением при изменении температуры от 40 до 70 °С интенсивность отказов увеличивается в 3 раза.
Температурный режим характеризуется совокупностью температур всех элементов, из которых состоит РЭС, т. е. его температурным полем (рис. 9.1).
Рис. 9.1. Температурное поле РЭС
Если температура в любой точке температурного поля РЭС не выходит за допустимые (с точки зрения надежности элементов) пределы, то тепловой режим называется нормальным. Стационарный тепловой режим характеризуется неизменностью температурного поля во времени вследствие наступления термодинамического баланса между источниками и поглотителями тепловой энергии. Нестационарный тепловой режим характеризуется зависимостью температурного поля от времени. Эта ситуация (режим) характеризуется при быстром изменении подводимой к РЭС мощности Р (включении и выключении). Воздействие отрицательных и положительных температур может снизить надежность устройства.
Причинами постепенных отказов, вызванных тепловыми воздействиями, являются: снижение изоляционных свойств материалов, увеличение токов утечки, снижение пробивного напряжения, изменение коэффициента усиления и нулевого тока коллектора транзистора и т. д.
Электрорадиоэлементы и механические части РЭС характеризуются термостойкостью, под которой понимается способность материалов и компонентов кратковременно выдерживать воздействие высоких и низких температур, а также резких изменений температур (термоударов). Термостойкость определяют по температуре, соответствующей началу существенных изменений свойств и параметров и компонентов, обусловленных различными физико-техническими процессами.
9.2. Тепловая защита
Для большинства радиоустройств (РУ) температура нагрева аппарата оказывается выше температуры окружающей среды, в результате чего происходит процесс отдачи теплоты в окружающее пространство. Интенсивность этого процесса растет с увеличением разности температур аппарата и окружающей среды.
Для каждого типа элемента в технических условиях указывается предельная температура, при повышении которой элемент нельзя эксплуатировать.. Одна из важнейших задач конструктора радиоаппаратуры состоит в том, чтобы обеспечить правильные тепловые режимы для каждого элемента конструкции.
Передача теплоты от нагретого тела в окружающее пространство может осуществляться тремя основными способами: за счет теплопроводности, конвекции и радиации (лучеиспускания). Для аппаратов, находящихся в воздушной среде, конвекция – это перенос теплоты перемещающимися частицами воздуха.
Последовательная реализация процесса конвекции состоит в следующем: 1) нагретый воздух поднимается вверх, омывает стенки кожуха, охлаждается о них и опускается вниз. Охлажденный воздух снизу поступает в пространство, содержащее элементы, выделяющие теплоту (естественная конвекция); 2) По элементам конструкции часть теплового потока от каждого элемента достигает кожуха (теплопроводность); 3) Часть теплового потока от нагретого тела передается кожуху за счет радиации.
Вся тепловая энергия, полученная кожухом, передается им в окружающее пространство также за счет конвекции, радиации и теплопроводности.
В радиоэлектронной аппаратуре (РЭА) с естественной конвекцией воздуха при закрытом кожухе часто не удается получить требуемых температурных условий для радиоэлементов. Тогда необходимы специальные меры по снижению температуры (рис. 9.2).
Рис. 9.2. Схема охлаждения аппарата
Охлаждение происходит за счет естественной вентиляции. Воздух (показан стрелками) охлаждает, поднимаясь, элементы конструкции — серый фон). Характерной особенностью такого аппарата является наличие в кожухе отверстий или жалюзей, через которые воздух из окружающего пространства может попасть в аппарат. В этом случае нагреваемый воздух, поднимаясь вверх, выходит из аппарата через отверствия в верхней крышке, а на его место снизу поступает воздух из окружающего пространства, имеющий более низкую температуру. Окружающий воздух пронизывает аппарат снизу вверх (рис. 9.2).
Однако не во всех случаях можно сделать отверстия в кожухе аппарата. Часто конструктор вынужден применять кожухи с уплотнением. Тогда используют вентиляторы, осуществляющие перемешивание воздуха внутри кожуха, что интенсифицирует процесс теплопередачи. Следует иметь в виду, что установка вентиляторов в малогабаритной аппаратуре может значительно увеличить ее размеры.. Размещать вентилятор нужно так, чтобы выделяемая им тепловая энергия не ухудшала теплового режима аппарата. Бывают случаи, когда в аппаратуру подают осушенный и обеспыленный воздух.
Во всех рассмотренных примерах теплопередача осуществляется с использованием воздуха в качестве теплоносителя. Но у воздуха низкая теплопроводность. Лучше применять жидкости. Поэтому в мощных РЭУ иногда используют жидкостные системы охлаждения. К числу жидкостных систем охлаждения относятся и системы с испарением (холодильник + фреон).
9.3. Системы обеспечения теплового режима РЭС
Для обеспечения теплового режима РЭС используются системы, отличающиеся особенностями структуры, интенсивностью теплообмена и т. д.
Для обеспечения стабильного поддержания теплового режима в среде иногда используют пассивный термостат (рис. 9.3)
Рис. 9.3. Пассивный термостат
Сосуд Дьюара применяют часто для термостатирования малогабаритных узлов РЭА. Сосуд Дьюара имеет теплопроводность, значительно меньшую теплопроводности пористой изоляции, при равной с ней толщине.
Если дополнительно использовать волокнистую, ячеистую изоляцию, то коэффициент теплопропроводности l снижается на два порядка. Для переходов кварц-стекло (аэрогель) l
0,02 мВт/м×К. Уменьшения коэффициента можно достичь используя (для космических объектов) экранно-вакуумную изоляцию, представляющую собой чередующиеся слои тонкой (5 – 15 мкм), обычно алюминиевой фольги и изолирующих прослоек из стеклобумаги, капроновой сетки. Высокая эффективность теплоизоляции достигается благодаря как высокой экранирующей способности, поскольку коэффициенты экранирования слоев перемножаются, так и низкой теплопроводности между слоями. Для уменьшения потерь на теплопроводность расстояния между экранирующими слоями должно быть в десять раз больше толщины диэлектрических прокладок.
Активное термостатирование позволяет поддерживать температуру с необходимой точностью, что особенно важно для таких объектов, как задающие генераторы частоты.
В большинстве случаев термостатируется не сам объект, а изотермическая камера с объектом. По точности поддержания температуры различают грубые (±0,5 °С), средней точности (±0,1 °С ¸ ±0,5 °С) и прецизионные (±0,05 °С) системы активного термостатирования РЭС.
В состав активных термостатов входят измерители температуры (датчики), подогреватели (охладители), изотермические камеры, системы регулирования. Толщина стенок изотермической камеры должна выравнивать температурный градиент, вызванный распределением теплового потока нагревателя (охладителя).
Системы обеспечения теплового режима могут охватывать отдельные узлы, блоки или систему в целом. Так жидкостная система термостатирования часто используется только для охлаждения мощных приборов СВЧ в передатчиках, а блоки обработки информации ею не охватываются.
Стационарные РЭС имеют обычно общую систему термостатирования.
Вещество, отводящее теплоту, называется хладоагентом. Это может быть газ, жидкость, твердое тело. В качестве хладоагента может быть использована окружающая среда: воздух, вода, материалы конструкции РЭС. При этом отвод тепла происходит в основном за счет теплопроводности.
9.4. Метод нагретой зоны
Одним из приближенных методов, позволяющим оценить значение температуры внутри аппарата при удовлетворительных погрешностях, является метод нагретой зоны. Сущность его заключается в том, что часть объема аппарата, в которой расположены тепловыделяющие элементы, заменяются одним или несколькими условными телами, имеющими простую геометрическую форму: параллелепипед, цилиндр, шар. Каждое из этих условных тел называют нагретой зоной. Нагретую зону представляют как однородное тело с равномерно распределенными источниками энергии, имеющее одинаковую температуру поверхности – изотермическая поверхность. Поверхность кожуха также считается изотермической.
Вопросы к лекции
1. Что следует понимать под тепловым режимом?
2. Какие виды передачи теплоты Вам известны?
3. Что понимают под тепловой защитой?
4. В чем заключается отличие между конвекций и радиацией?
5. Для чего в верхней части кожуха обычно делают отверстия?
6. Объясните форму изготавливаемых отверстий и их место расположения
7. Какого назначение пассивного термостата?
8. Каким способом уменьшают потери на теплопроводность в термостатах?
9. Каково назначение активного термостатирования?
10. Назовите типы термостатирующих устройств и их классификацию по точности термостатирования.
11. В чем заключается метод нагретой зоны и когда он используется?
Вопросы для самостоятельной работы:
Изучение и использование метода тепловой зоны.
Вводные положения метода приведены в лекции.
Ненашев. Конструирование электронных средств. М. Высш. шк., 1992, 432с. (рекомендованы стр. 154-181)
Источник
Способ тепловой защиты оборудования
ТЕПЛОВАЯ ИЗОЛЯЦИЯ ОБОРУДОВАНИЯ И ТРУБОПРОВОДОВ
Designing of thermal insulation of equipment and pipe lines
Дата введения 2013-01-01
Предисловие
Сведения о своде правил
1 ИСПОЛНИТЕЛЬ — Московский государственный строительный университет (МГСУ) и группа специалистов
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 465 «Строительство»
3 ПОДГОТОВЛЕН к утверждению Департаментом архитектуры, строительства и градостроительной политики
5 ЗАРЕГИСТРИРОВАН Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт). Пересмотр СП 61.13330.2010 «СНиП 41-03-2003 Тепловая изоляция оборудования и трубопроводов»
Информация об изменениях к настоящему своду правил публикуется в ежегодно издаваемом информационном указателе «Национальные стандарты», а текст изменений и поправок — в ежемесячно издаваемых информационных указателях «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего свода правил соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячно издаваемом информационном указателе «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте разработчика (Минрегион России) в сети Интернет
ВНЕСЕНЫ: правки на основании Опечатки, опубликованной в Информационном Бюллетене о нормативной, методической и типовой проектной документации N 6, 2012 г. и Опечаток, размещенных на официальном сайте ФАУ «ФЦС», www.certif.org/fcs/sp_malomob.html (по состоянию на 01.10.2014).
Правки внесены изготовителем базы данных
Изменение N 1 внесено изготовителем базы данных
Введение
Настоящий свод правил разработан с учетом современных тенденций в проектировании промышленной тепловой изоляции и рекомендаций международных организаций по стандартизации и нормированию.
Нормативный документ содержит требования к теплоизоляционным материалам, изделиям и конструкциям, правила проектирования тепловой изоляции, нормы плотности теплового потока с изолируемых поверхностей оборудования и трубопроводов с положительными и отрицательными температурами при их расположении на открытом воздухе, в помещении, непроходных каналах и при бесканальной прокладке. В документе приведены методы расчета толщины тепловой изоляции оборудования и трубопроводов, расчетные характеристики теплоизоляционных материалов, правила определения объема и толщины уплотняющихся волокнистых теплоизоляционных материалов в зависимости от коэффициента уплотнения.
Актуализация выполнена авторским коллективом в составе: канд. техн. наук Б.М.Шойхет (руководитель работы), д-р техн. наук Б.М.Румянцев (МГСУ), В.Н.Якуничев (СПКБ АО «Фирма «Энергозащита»), В.Н.Крушельницкий (ОАО «Атомэнергопроект»).
В работе принимали участие: А.И.Коротков, И.Б.Новиков (ОАО «ВНИПИэнергопром»), канд. техн. наук В.И.Кашинский (ООО «ПРЕДПРИЯТИЕ «Теплосеть-Сервис»), С.Л.Кац (ОАО «ВНИПИнефть»), Р.Ш.Виноградова (ОАО «Теплоэлектропроект»), Е.А.Никитина (ОАО «Атомэнергопроект»).
1 Область применения
Настоящий свод правил следует соблюдать при проектировании тепловой изоляции наружной поверхности оборудования, трубопроводов, газоходов и воздуховодов, расположенных в зданиях, сооружениях и на открытом воздухе с температурой содержащихся в них веществ от минус 180 до 600 °С, в том числе трубопроводов тепловых сетей при всех способах прокладки и трубопроводов с обогревающими их паровыми и водяными спутниками.
Настоящие нормы не распространяются на проектирование тепловой изоляции оборудования и трубопроводов, содержащих и транспортирующих взрывчатые вещества, изотермических хранилищ сжиженных газов, зданий и помещений для производства и хранения взрывчатых веществ, атомных станций и установок.
2 Нормативные ссылки
Нормативные документы, на которые в тексте настоящего свода правил имеются ссылки, приведены в приложении А.
Примечание — При пользовании настоящим сводом правил целесообразно проверить действие ссылочных стандартов и классификаторов в информационной системе общего пользования — на официальном сайте национальных органов Российской Федерации по стандартизации в сети Интернет или по ежегодно издаваемому информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по соответствующим ежемесячно издаваемым информационным указателям, опубликованным в текущем году. Если ссылочный документ заменен (изменен), то при пользовании настоящим сводом правил следует руководствоваться замененным (измененным) документом. Если ссылочный документ отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.
3 Термины и определения
В настоящем своде правил применены термины по ГОСТ 31913, а также следующие термины с соответствующими определениями:
3.1 плотность теплоизоляционного материала, , кг/м: Величина, определяемая отношением массы материала ко всему занимаемому им объему, включая поры и пустоты;
3.2 коэффициент теплопроводности, ( ), Вт/(м·°С): Количество теплоты, передаваемое за единицу времени через единицу площади изотермической поверхности при температурном градиенте, равном единице;
3.3 расчетная теплопроводность: Коэффициент теплопроводности теплоизоляционного материала в эксплуатационных условиях с учетом его температуры, влажности, монтажного уплотнения и наличия швов в теплоизоляционной конструкции;
3.4 паропроницаемость, , мг/(м·ч·Па): Способность материала пропускать водяные пары, содержащиеся в воздухе, под действием разности их парциальных давлений на противоположных поверхностях слоя материала;
3.5 температуростойкость: Способность материала сохранять механические свойства при повышении или понижении температуры. Характеризуется предельными температурами применения, при которых в материале обнаруживаются неупругие деформации (при повышении температуры) или разрушение структуры (при понижении температуры) под сжимающей нагрузкой;
3.6 уплотнение теплоизоляционных материалов: Монтажная характеристика, определяющая плотность теплоизоляционного материала после его установки в проектное положение в конструкции. Уплотнение материалов характеризуется коэффициентом уплотнения, значение которого определяется отношением объема материала или изделия к его объему в конструкции;
3.7 теплоизоляционная конструкция: Конструкция, состоящая из одного или нескольких слоев теплоизоляционного материала (изделия), защитно-покровного слоя и элементов крепления. В состав теплоизоляционной конструкции могут входить пароизоляционный, предохранительный и выравнивающий слои;
3.8 многослойная теплоизоляционная конструкция: Конструкция, состоящая из двух и более слоев различных теплоизоляционных материалов;
3.9 покровный слой: Элемент конструкции, устанавливаемый по наружной поверхности тепловой изоляции для защиты от механических повреждений и воздействия окружающей среды;
3.10 пароизоляционный слой: Элемент теплоизоляционной конструкции оборудования и трубопроводов с температурой ниже температуры окружающей среды, предохраняющий теплоизоляционный слой от проникновения в нее паров воды вследствие разности парциальных давлений пара у холодной поверхности и в окружающей среде;
3.11 предохранительный слой: Элемент теплоизоляционный конструкции, входящий, как правило, в состав теплоизоляционной конструкции для оборудования и трубопроводов с температурой поверхности ниже температуры окружающей среды с целью защиты пароизоляционного слоя от механических повреждений;
3.12 температурные деформации: Тепловое расширение или сжатие изолируемой поверхности и элементов конструкции под воздействием изменения температурных условий при монтаже и эксплуатации изолируемого объекта;
3.13 выравнивающий слой: Элемент теплоизоляционной конструкции, выполняемый из упругих рулонных или листовых материалов, устанавливается под мягкий покровный слой (например из лакостеклоткани) для выравнивания формы поверхности;
3.14 Паровые и водяные спутники: Трубопроводы малого диаметра, предназначенные для обогрева основного трубопровода и расположенные в общей с основным трубопроводом теплоизоляционной конструкции.
4 Общие положения
4.1 Теплоизоляционная конструкция должна обеспечивать параметры теплохолодоносителя при эксплуатации, нормативный уровень тепловых потерь оборудованием и трубопроводами, безопасную для человека температуру их наружных поверхностей.
4.2 Конструкции тепловой изоляции трубопроводов и оборудования должны отвечать требованиям:
энергоэффективности — иметь оптимальное соотношение между стоимостью теплоизоляционной конструкции и стоимостью тепловых потерь через изоляцию в течение расчетного срока эксплуатации;
эксплуатационной надежности и долговечности — выдерживать без снижения теплозащитных свойств и разрушения эксплуатационные температурные, механические, химические и другие воздействия в течение расчетного срока эксплуатации;
безопасности для окружающей среды и обслуживающего персонала при эксплуатации и утилизации.
Материалы, используемые в теплоизоляционных конструкциях, не должны выделять в процессе эксплуатации вредные, пожароопасные и взрывоопасные, неприятно пахнущие вещества, а также болезнетворные бактерии, вирусы и грибки, в количествах, превышающих предельно допустимые концентрации, установленные в санитарных нормах.
4.3 При выборе материалов и изделий, входящих в состав теплоизоляционных конструкций для поверхностей с положительными температурами теплоносителя (20 °С и выше), следует учитывать следующие факторы:
месторасположение изолируемого объекта СП 131.13330;
температуру изолируемой поверхности;
температуру окружающей среды;
требования пожарной безопасности;
агрессивность окружающей среды или веществ, содержащихся в изолируемых объектах;
материал поверхности изолируемого объекта;
допустимые нагрузки на изолируемую поверхность;
наличие вибрации и ударных воздействий;
требуемую долговечность теплоизоляционной конструкции;
температуру применения теплоизоляционного материала;
теплопроводность теплоизоляционного материала;
температурные деформации изолируемых поверхностей;
конфигурация и размеры изолируемой поверхности;
условия монтажа (стесненность, высотность, сезонность и др.);
условия демонтажа и утилизации.
Теплоизоляционная конструкция трубопроводов тепловых сетей подземной бесканальной прокладки должна выдерживать без разрушения:
воздействие грунтовых вод;
нагрузки от массы вышележащего грунта и проходящего транспорта.
При выборе теплоизоляционных материалов и конструкций для поверхностей с температурой теплоносителя 19 °С и ниже и отрицательной температурой дополнительно следует учитывать относительную влажность окружающего воздуха, а также влажность и паропроницаемость теплоизоляционного материала.
4.4 В состав конструкции тепловой изоляции для поверхностей с положительной температурой в качестве обязательных элементов должны входить:
4.5 В состав конструкции тепловой изоляции для поверхностей с отрицательной температурой в качестве обязательных элементов должны входить:
Источник
