DE2009398B2 - Hitzeschild - Google Patents

Description

maltemperatur von 100^c C zu halten. Mit dem erfindungsgemäßen Hitzeschild kann diese Temperatur ojn 100° bei einer Stärke von nur 3 cm über eine Zeitspanne von 30 Minuten beibehalten werden.

Bei einem ersten Verdampfungsprozeß kann die Enthalpie H' des gesättigten Dampfes, die die Summe aus der Enthalpie der Flüssigkeit und der latenten Verdampf-ingswärme LV 2530° C ist, näherungsweise durch die Näherungsformel bestimmt werden:

(kJ/kg) H' = (2530 + 1,31 ° C)

oder man bezieht sich auf die Sättigungskurve des Mollier-Diagramms.

Beim vollstabJigen Verdampfungsprozeß mit Überhitzung, wie er av.t dem Mollier-Diagramm hervorgeht, erzeugt das Überhitzen des Dampfes für eine bestimmte Schutztemperatur eine Erhöhung der Enthalpie, die durch die Differenz der Ordinatenwerte des Schnittpunktes der Isobaren-Kurven mit der Sättigungskurve und ihres Schnittpunktes mit den Isothermen-Kurven gegeben ist, wobei die auf diese Weise erhaltene Zunahme im allgemeinen in der Größenordnung von ungefähr 25 ° ο liegt.

Auf diese Weise kann man mit einem Hitzeschild gemäß der Erfindung oder mit einer Umhüllung, die die Ergänzungsform dazu darstellt, einen wirksamen Wärmeschutz erhalten, bei dem die niedrigste Temperatur nicht über die Verdampfungstemperatur der in dem Hydratbildner eingeschlossenen Flüssigkeit hinausgeht, und zwar während der gesamten Dauer dieses Verdampfens, angenommen z.B. 100° C für das Wasser bei normalem atmosphärischem Druck von 760 mm Hg, und während einer Dauer, die direkt proportional der Menge dieses in dem Hydratbildncr eingeschlossenen Wassers ist.

Das wasserabgebende Element kann ein Alginat sein, das in einer Polyäthylenmembrane eingeschlossen ist. Als Überhitzer ist eine Quarzschicht geeignet, die in einem Siliciumdioxyd-Gewebe eingeschlossen ist. In der Warmwand können zweckmäßigerweise Öffnungen für den Dampfaustritt vorgesehen sein, die durch Siliconpropfen verschlossen sind. Zum Ableiten des Dampfes lassen sich das poröse, isolierende und das feuerfeste Element mit untereinander in Verbindung stehenden Rillen versehen, die zu den Öffnungen in der Warmwand führen.

Bei einer Schutzumhüllung für ein wärmeempfindliches Teil weist der dabei verwendete Hitzeschild erfindungsgemäß eine zylinder-kugelige Gestalt auf, wobei die Kaltwand innen angeordnet ist und Silikonpfropfen eine Siliciumdioxyd-Muffe umgeben, die den Hitzeschild zwischen der Warmwand und der Kaltwand durchquert, um den von der Umhüllung nach außen führenden Ausgang der Leitungen zu schützen, die im Innern an dem genannten Teil angeschlossen sind. Die Warmwand kann dabei zwei erste Elemente aufweisen, die über eine erste Verbindungsebene mittels Befestigungspfropfen zusammengesetzt ist und der Schichtaufbau aus Hydratbildner und Überhitzer kann zwei zweite Elemente aufweisen, die nach einer zweiten zur ersten parallel verschobenen Verbindungsebene zusammengesetzt sind, und zwar mittels eines Stahlrohres und eines Verbindungsstückes aus Siliciumdioxyd-Gewebe, das zwischen zwei kreisförmigen Ringen aus mit Asbest gefülltem Harz zusammengepreßt ist, die die Abdichtung zwischen den beiden zweiten Elementen Gewährleisten.

Mit dem erfindungsgemäßen Hitzeschild läßt sich mit Vorteil eine Wärmeschutzzelle schaffen, die in einer geschlossenen Umhüllung enthalten ist, wobei ein Ventil erlaubt, den überhitzten Dampf in der Zelle bei einer vorbestimmten Druckhöhe entweichen zu lassen. Besonders wirksam ist dabei, wenn der überhitzte Dampf nach dem Kondensieren wieder dem wasserabgebenden Element zugeführt wird.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise ίο an Hand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt F i g. 1 ein Diagramm, das den Temperaturabfall zeigt, der sich durch die Übertragung der Wärme durch eine herkömmliche Isolierwand hindurch ergibt,

F i g. 2 ein Diagramm, das den Temperaturabfall veranschaulicht, der sich durch die Übertragung der Wärme durch einen Hitzeschild gemäß der Erfindung hindurch ergibt.

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht eines Hitzeschilds gemäß der Erfindung,

F i g. 4 einen Teil des Mollier-Diagramms,
F i g. 5 eine Längsschnittansicht einer Umhüllung gemäß der Erfindung, die zum Schutz einer an Bord eines Flugzeuges befindlichen Registriereinrichtung der Flugzeugführung bestimmt ist und

F i g. 6 eine Teilschnittansicht des Teils A der Fig. 5.

In der nachstehenden Beschreibung sind der Hitzeschild als Schirm, die Warmwand als warme Wand und die Kaltwand als kalte Wand bezeichnet.

Der Temperaturabfall, der nach dem Durchqueren der Wärmeströmung durch eine bekannte, herkömmliche Wand auftritt, kann auf allgemeine Weise graphisch bestimmt werden, wie es in F i g. 1 veranschaulicht ist. Nimmt man beispielsweise die folgenden Werte:

Temperatur des heißen Strömungsmediums
T₁ = 800° C,

Temperatur des kalten Strömungsmediums

T₂ = 100⁰C,

Wärmeleitfähigkeit des Isoliermaterials
I = 0,1 W/m° C,

Konvektionsströmung des heißen Strömungsmediums durch die Wand
«j = 500 W/m² ° C,

Konvektionsströmung des kalten Strömungsmediums durch die Wand
ft₂ = 20 W/m^{2 0}C,

Dicke e = 0,06 m,

,1 1 , e .
Gesamtubertragung — ■ = — + —- -\

k OC₁ λ «

k = 1,5 W/m²°C,

und nimmt man einen zusammenhängenden Maßstab ^für die Konstruktion des Kurvenverlaufes an, so stellt man fest, daß die Stärke e der Wand um so geringer sein kann, je kleiner λ selbst ist.

Man weiß jedoch, daß λ, das durch die Natur selbst

des gewählten Isoliermaterials festgelegt ist, nicht unter einen bestimmten praktischen Wert gesenkt werden kann, der im übrigen bei 0,1 W/m^{2 0}C für die betrachteten Temperaturen liegt.

Aber die obenerwähnten Probleme, die für einen

durchgehenden Bereich betrachtet wurden, können

von einem anderen Gesichtspunkt betrachtet werden, Auf gleiche Weise kann man die Anfangsdauer des

wenn man die Annahme eines zeitlich begrenzten Schutzes »gesättigter Dampf« bestimmen:
Wärmeschutzes zuläßt.

F i g. 2 zeigt zu diesem Zweck und zum Vergleich (_sec) (kJ/kg)

mit F i g. 1 im gleichen Maßstab den Kurvenverlauf 5 47g. 2570

eines Schirmes, der die Kombination eines Hydrat Δι = = 1550 see oder 25 min 50 see,

bildenden Elementes und eines Überhitzerelementes &10

gemäß der Erfindung aufweist. (kJ/kg)

F i g. 2 zeigt die Kombination eines Hydrat bildenden Elementes 1 und eines Überhitzerclementes 2, ein 10 woraus man so die durch das Überhitzen erzeugte poröses, herkömmliches Isoliermaterial 3 das eine _{Zunahme bestimmen kann die gleich} «o ^ 1 .
ablative oder abschmelzende Aufgabe haben kann, ° 1550 3
eine äußere Wand 4, die selbst porös oder mit Öff- angegebenen Fall ist.

nungen versehen sein kann und eine innere Wand 5, F i g. 3 zeigt schematisch im Schnitt eine neue Eindie gegen die Srahlung geschützt werden soll. Man 15 richtung zum Schützen eines Körpers 21 mittels ZeI-stellt fest, daß der Punkt a, der der Front der Hydrat- len 20, wobei ein Hydratbildner 1 und ein Überbildung oder des Verdampfens entspricht, sich in hitzer 2 in Überdeckung angeordnet sind. Nach Richtung auf b um einen Betrag d verschiebt, und F i g. 3 kann jede Zelle 20, die in einem das Hydratzwar als Funktion der Zeit, in der die Anordnung der bildner-Überhitzer-Element 25 aufnehmenden steifen Wärmeströmung ausgesetzt ist, und bis die in dem 20 Mantel 22 enthalten ist, z. B. an der Wand 21 mit Hydratbildner 1 enthaltene Flüssigkeit vollständig Hilfe von durchgehenden Schrauben 24 befestigt aufgebraucht ist. werden, die mit den mit dem Mantel 22 fest ver-

Der gesättigte Dampf, der von der Verdampfung bundenen Muttern 23 verschraubt sind. Dabei ge-

beim Durchqueren des Überhitzerteils des Hydrat währleistet ein Ventil 26 (tariert oder nicht tariert) die

bildenden Elementes 1 und des Überhitzers 2 stammt, ^ Abgabe des Dampfes, der gegebenenfalls nach dem

beseitigt eine zusätzliche Menge von Kalorien, die Kondensieren dem Hydratbildner wieder zugeführt

direkt proportional der Ausgangstemperatur des wird.

überhitzten Dampfes durch die Öffnungen der Fig. 5 zeigt den Längsschnitt einer in ihrer

Wand 4 ist. Gesamtheit mit 27 bezeichneten Umhüllung, die mit

Beim Vergleich der beiden Kurven der Fig. 1 30 eiiiem Schild zur Wärmeableitung versehen und dazu

und 2 sieht man, daß »e'« im wesentlichen die Hälfte bestimmt ist, während ungefähr 30 min den Feuer-

von »e« für einen identischen Wärmeschutz beträgt, schutz von Registriergeräten 42 zu gewährleisten, die

woraus ein beträchtlicher Gewinn an Raumbedarf sich an Bord eines Flugzeuges befinden und durch

und Gewicht als Vorteil des Schildes resultiert. Keile 43 in Abstand von der Innenwand der Um-

Auf diese Weise kann man einerseits die Schutz- 35 hüllung 27 gehalten werden.

dauer infolge der Wirkung des Hydratbildners 1 und Diese Umhüllung weist zwei mit 28 und 29 be-

andererseits die Scbutzdauer infolge der Wirkung des zeichnete Elemente auf. Die Umhüllung 27, die eine

Überhitzers 2 festlegen. zylinder-kugelförmige Gestalt und ein Volumen von

Aus Fig. 1, die ein Kurvennetz des Enthalpie/ ungefähr 1800cm³ besitzt, enthält im wesentlichen

Entropie-Diagramms von Mollier darstellt, er- 40 einen Außenmantel 30 aus Spezialstahl und einen

kennt man, daß bei 100° C die Hüllkuroe des Sätti- porösen Isolierschirm 31 aus Harz und Asbestfasern,

gungsdampfes beim Verdampfen eine Enthalpie von der eine eventuelle thermische Ablation erfahren

2670 kJ pro kg Wasser zeigt und daß das Überhitzen kann. Fig. 5 zeigt weiter ein Hydrat bilden-

auf 500° C dieses gesättigten Dampfes diese Enthai- des Element 1 und eine Antistrahlungswand 5 aus

pie auf 3480 kJ/kg erhöht, was in dem angenomme- 45 innenpoliertsr Aluminiumlegierung. Umfangsrillen

nen Beispiel einen Gewinn von Q = 810 kJ/kg be- 17, die untereinander in Verbindung stehen, erlau-

deutet. ben eine gute Verteilung des zu Öffnungen 9 strö-

Betrachtet man ein cm² der Schildnutzfläche und menden Dampfes.

nimmt man beispielsweise an, daß das Hydratsbildner/ Eine Verbindungsebene XY grenzt den oberen und

Überhitzer-Element 1,2 P = 0,35 g/cm² Wasser ent- 50 den unteren Teil des Mantels 30 der durch Schrau-

hält, das die Wärmeströmung F = 0,6 Joule/cm² see, ben 12 verbundenen oberen und unteren Elemente

die mittlere abzustrahlende Temperatur T₁ = 500° C voneinander ab, und eine andere Verbindungsebene

und der Druck 10 N/cm² betragen und daß T₂ bei WZ grenzt die oberen und unteren Teile verschiede-

100° C verbleiben soll, kann man auf Grund der ner anderer Elemente des Schildes voneinander ab.

Gleichung: 55 Das Hydrat bildende Element 1 besteht aus einem

mit Wasser versorgten Gel oder Alginat und ist von

j_t — Q einer Überhitzerschicht 2 aus Quarzwolle bedeckt

FS Das Hydrat bildende Element 1 ist im Innern von

dünnen, geschlossenen Membranen 32 mit 0,1 mm

die direkt die Schutzdauer des »Überhitzens« in see ⁶° Stärke aus Polyäthylen und von Elementen 33 aus

angibt, die Zeit in dem vorliegenden angenommenen Siliciumdioxyd-Geweben gehalten, die große, die

ip? -I₁ bestimmen- Quarzschicht 2 umschließende Maschen besitzen.

Beispiel υ^ιι^^ . _{Die Mäntd 3Q sind entweder} dampfdurchlässig

/j·. r„\ oder mit öffnungen 9 versehen, die provisorisch mil

8ΐηηη0·0 35 ^6s Silikonpfropfen verschlossen sind. Ein oder mehrere

_{Δ t}> __ °^1UUU '— = 470 see oder 7 min 50 see. Pfropfen 34,35, die ein imprägniertes Siliciumdioxyd-

1000·1·0,6 Gewebe 36 umgeben, schützen den Ausgang dei

(g) (⁰To²) (J^/m2sec) elektrischen Kabel 37, wobei die Wirkung dei

Elemente durch ein Stahlrohr 38 gewährleistet ist, das in in der Wand 5 ausgebildeten Nuten untergebracht ist, während im Querschnitt kreisförmige Ringe 39 und 40 aus mit Asbest versehenem Harz ein Verbindungsstück 41 umfassen, das aus zusammengedrücktem Siliciumdioxyd-Gewebe besteht.

Fig. 6 zeigt das Schema der Arbeitsweise, aus dem ersichtlich ist, daß vom Verdampfen an die Membrane 32 durch die Maschen des Siüciumdioxyd-

Gewebes 33 hindurch aufplatzt, damit der gesättigte Dampf durch den Überhitzerteil 2 gelangen kann und der überhitzte Dampf entweicht dann nach deir Durchqueren des porösen Isoliermaterials 31 durcl die öffnungen 9, die unter der Wirkung des Drucke; des Dampfes geöffnet sind.

Auf diese Weise erfolgt das Verdampfen mit Über hitzen, bis die in dem Hydratbildner enthalten! Flüssigkeit aufgebraucht ist.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

dem Kondensieren wieder dem wasserabgebendeu Patentansprüche: Element (25) zugeführt wird.

1. Hitzeschild mit einer mit öffnungen ausgestatteten Wannwand und einer Kaltwand sowie

einem zwischen der Warmwand und der Kalt- 5

wand in Berührung mit der Kaltwand angeordne- Die Erfindung betrifft einen,Hitzeschild mit einer

ten geschichteten wasserabgebenden Element, mit öffnungen ausgestatteten Wannwand und einer

wobei gesättigter Dampf entwickelt wird, da- Kaltwand sowie einem zwischen der Warmwand und

durch gekennzeichnet, daß zwischen dem der Kaltwand in Berührung mit der Kaltwand ange-

wasserabgebenden Element (1) und der Warm- io ordneten geschichteten wasserabgebenden Element,

wand (30) ein geschichtetes Überhitzerelement (2) wobei gesättigter Dampf entwickelt wird,

mit geringem Druckabfall vjrgesehen ist und daß Hitzeschilde dieser Art werden beispielsweise zum.

zwischen dem Überhitzerelement (2) und der Schutz von Aufzeichnungsgeräten für Flugdaten ver-

Warmwand(30) ein geschichtetes, poröses und wendet, die sich an Bord von Flugzeugen befinden,

feuerfestes Element (31) vorhanden (ist, wobei der 15 wenn letztere z. B. in Brand geraten. Die Aufzeich-

gesättigte Dampf, der in dem wasserabgebenden nungsgeriite werden deswegen· geschützt, weil sie

Element (1) entwickelt wird, während des Durch- häufig den Ursprung eines Schadenfalls erkennen

querens des Überhitzers (2) überhitzt wird. lassen. Es gibt jedoch viele andere Anwendungs-

2. Hitzeschild nach Anspruch 1, dadurch ge- möglichkeiten für Hitzeschilde, ' beispielsweise als kennzeichnet, daß das wasserabgebende Element 20 Schutz von Weltraumkapseln beim Wiedereintritt in (1) ein Alginat ist, das in einer Polyäthylen- die Erdatmosphäre, als Feuerschutz für Türen und membrane (32) eingeschlossen ist. Wände, die sich in der Nähe von schnell intensivier-

3. Hitzeschild nach Anspruch 2, dadurch ge- baren Wärmequellen befinden usw.
kennzeichnet, daß der Überhitzer (2) eine Quarz- Bei den bekannten Hitzeschilden werden imGrunde schicht ist, die in einem Siliciumdioxyd-Gewebe 25 nur die wärmeisolierenden Eigenschaften des ver-(33) eingeschlossen ist. wendeten Materials genutzt. Steigende Anforderun-

4. Hitzeschild nach einem der Ansprüche 1 gen führten daher zu erhöhten Materialverdickungen, bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Warm- ohne daß sich damit proportional die Möglichkeit wand (30) mit öffnungen (9) versehen ist, die steigerte, eine niedrigere konstante Temperatur über durch Silikonpfropfen verschlossen sind. 30 eine genügend lange Zeitspanne aufrechtzuerhalten.

5. Hitzeschild nach Anspruch 4, dadurch ge- Die bekannten Hitzeschilde sind daher nicht für alle kennzeichnet, daß das poröse, isolierende und Anwendungszwecke geeignet;

feuerfeste Element (31) untereinander in Ver- Bei einem anderen bekannten Hitzeschild für Weltbindung stehende Rillen (17) aufweist, die zu den raumfahrzeuge wird vom Weltraumfahrzeug her ein öffnungen (9) der Warmwand (30) führen. 35 Kühlmittel zwischen die Wandungen des mehrlagigen

6. Hitzeschild nach Anspruch 1 mit zylinder- Hitzeschilds eingeführt, verdampft und abgeführt, kugelförmiger Gestalt, dadurch gekennzeichnet, wodurch das Weltraumfahrzeug vor Überhitzung gedaß die Kaltwand (5) innen angeordnet ist und schützt wird. Die Funktion dieses Hitzeschilds hängt Silikonpfropfen (34, 35) eine Siliciumdioxyd- von d?r Kühlmittelzufuhr ab, was erstens das gewicht-Mufie (36) umgeben, die den Hitzeschild zwischen 40 und raumaufwendige Vorhandensein einer solchen der Warmwand (30) und der Kaltwand (5) durch- voraussetzt und zweitens ein intaktes Fahrzeug erquert, um den von der Umhüllung nach außen fordert. Dieser bekannte Hitzeschirm ist daher für führenden Ausgang der Leitungen (37) zu schüt- viele Anwendungsfälle, insbesondere für Katastrozen, die im Innern an dem genannten Teil ange- phenschutz, ungeeignet.

schlossen sind. 45 Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen

7. Hitzeschild nach Anspruch 6. dadurch ge- Hitzeschild der eingangs angegebenen Art derart kennzeichnet, daß die Warmwand (30) zwei erste auszubilden, daß er über längere Zeitperioden erElemente aufweist, die über eine erste Verbin- höhten Schutz gegen Überhitzung bietet, ohne von dungsebene (XY) mittels Befestigungspfropfen einer Fremdkühlmittelquelle abhängig zu sein.

(12) zusammengesetzt ist und daß der Schicht- 50 Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird vorgc-

aufbau (25) aus Hydratbildner und Überhitzer schlagen, daß zwischen dem wasserabgebendeii

zwei zweite Elemente aufweist, die nach einer Element und der Warmwand ein geschichtetes Über-

zweiten zur ersten parallel verschobenen Ver- hitzerelement mit geringem Druckabfall vorgesehen

bindungsebene (ZW) zusammengesetzt sind, und ist und daß zwischen dem Überhitzerelement und dei

zwar mittels eines Stahlrohres (38) und eines 55 Warmwand ein geschichtetes, poröses und feuerfeste;

Verbindungsstückes (41) aus Siliciumdioxyd- Element vorhanden ist. wobei der gesättigte Dampf

Gewebe, das zwischen zwei kreisförmigen Ringen der in dem wasserabgebenden Element entwickel

(39 und 40) aus mit Asbest gefülltem Harz zu- wird, während des Durchquerens des Überhitzer:

sammengepreßt ist, die die Abdichtung zwischen überhitzt wird,

den beiden zweiten Elementen gewährleisten. 60 Mit der Erfindung wird erreicht, daß gegenübe

8. Hitzeschild nach einem der vorhergehenden den bekanntgewordenen Hitzeschilden der erfindungs Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine ge- gemäße Hitzeschild das Aufrechterhalten eine schlossene Umhüllung (20) eine Wärmeschutz- maximal höchstzulässigen Temperatur um etwa eil zelle enthält, wobei ein Ventil (26) erlaubt, den Drittel üblicher Zeitperioden verlängert werden kann überhitzten Dampf in der Zelle (20) bei einer 65 Beispielsweise wurde bisher für den Schutz vöi vorbestimmten Druckhöhe entweichen zu lassen. eingangs erwähnten Registriergeräten ein Hitzeschil»

9. Hitzeschild nach Anspruch 8, dadurch ge- mit einer Dicke von 6 cm benötigt, um diese bei eine kennzeichnet, daß der überhitzte Dampf nach Umgebungstemperatur von HOO⁰C auf einer Maxi