ES2845349T3 - Sistema de control de la temperatura una superficie - Google Patents
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Abstract
Un metodo para enfriar una superficie, comprendiendo el metodo: proporcionar una capa porosa (18) debajo de dicha superficie; proporcionar una camara impelente (16) estructural debajo de dicha capa porosa, en donde dicha camara impelente esta limitada por un miembro estructural interno (12) y una pared estructural externa (14), y en donde dicha capa porosa esta unida a dicha pared estructural externa, por fuera de la camara impelente; proporcionar una capa semipermeable (24) que incluye una pluralidad de orificios de salida (26), en donde la capa semipermeable esta unida a una superficie exterior de la capa porosa; proporcionar refrigerante presurizado dentro de la camara impelente; y hacer fluir el refrigerante desde dicha camara impelente a traves de uno o mas orificios de entrada (24) formados en dicha pared estructural externa hacia dicha capa porosa y a traves de dichos orificios de salida, en donde el flujo de refrigerante que sale a traves de dichos orificios de salida se combina con el refrigerante que transpira a traves de dicha capa semipermeable formando una pelicula de enfriamiento en dicha superficie.
Description
DESCRIPCIÓN
Sistema de control de la temperatura una superficie
Antecedentes de la invención
Campo de la invención
Esta divulgación se refiere, en general, a métodos y aparatos que proporcionan el control de la temperatura de una superficie en un entorno de alto flujo de calor con flujo simultáneo de alta velocidad sobre la superficie y, más específicamente, a los métodos y aparatos de control de la temperatura de una superficie que implican tradicionalmente el enfriamiento por película o el enfriamiento por transpiración en el entorno antes mencionado.
Descripción de la técnica relacionada
Muchas aplicaciones de ingeniería, incluyendo diversos componentes de aeronaves, misiles y naves espaciales, requieren el control de temperatura en superficies que limitan el flujo de alta velocidad mientras que simultáneamente están sujetas a un alto flujo de calor incidente. Los métodos convencionales de control de la temperatura de una superficie en tales condiciones son el enfriamiento por película y el enfriamiento por transpiración.
Un sistema de enfriamiento por película típico incluye una cámara impelente estructural que soporta carga que tiene un gran número de pequeños orificios perforados en la pared estructural externa de la misma. El aire de enfriamiento sale de la cámara impelente a través de estos orificios formando así una película de enfriamiento que reduce la temperatura de la pared estructural externa. Sin embargo, tal sistema de enfriamiento tiene desventajas; Se debe perforar una gran cantidad de agujeros en la superficie a enfriar, aumentando el coste y la complejidad de la cámara impelente mientras se reduce su resistencia estructural. Además, los orificios deben diseñarse cuidadosamente para proporcionar una película de enfriamiento eficaz en una amplia variedad de entornos externos. El aire de enfriamiento que sale a una velocidad demasiado alta atravesará y saldrá de la capa límite de la superficie hacia el flujo de corriente libre, lo que da como resultado una transferencia de calor reducida en la pared externa de la cámara impelente y, en consecuencia, un control deficiente de la temperatura de la superficie.
Un sistema de enfriamiento por transpiración típico incluye una cámara impelente limitada por una pared externa que consiste en un material poroso estructural formado a partir de un metal sinterizado o un cerámico. Estos materiales porosos tienen una gran área superficial por unidad de volumen y son capaces de proporcionar un enfriamiento altamente efectivo del material y un control correspondientemente bueno de la temperatura de la superficie. Sin embargo, seleccionar el tipo de material poroso que se utilizará como pared externa de la cámara impelente es un problema de diseño difícil. Los cerámicos estructurales tienden a ser frágiles y tienen menos resistencia estructural que los metales. Los metales sinterizados tienden a ser más fuertes pero también más pesados que los cerámicos estructurales y, por lo tanto, pueden imponer una penalización de peso inaceptable.
En el documento US 2.941.759 se describe un intercambiador de calor que tiene una construcción de pared porosa adaptada para enfriarse fácilmente para proporcionar una condición de transferencia de calor estabilizada en toda su área.
Sumario de la invención
En el presente documento se describe un método para enfriar una superficie. El método comprende a) proporcionar una capa porosa debajo de dicha superficie, b) proporcionar una cámara impelente estructural debajo de dicha capa porosa, en donde dicha cámara impelente está delimitada por un miembro estructural interno y una pared estructural externa, y en donde dicha capa porosa está unida a dicha pared estructural externa por fuera de la cámara impelente, c) proporcionar una capa semipermeable que incluye una pluralidad de orificios de salida, en donde la capa semipermeable está unida a una superficie exterior de la capa porosa, d) proporcionar refrigerante presurizado dentro de la cámara impelente, y e) hacer fluir el refrigerante desde dicha cámara impelente a través de uno o más orificios de entrada formados en dicha pared estructural externa hacia dicha capa porosa y a través de dichos orificios de salida, en donde el flujo de refrigerante que sale a través de dichos orificios de salida se combina con el refrigerante que transpira a través de dicha capa semipermeable formando una película de enfriamiento en dicha superficie.
Breve descripción de los dibujos
Los objetos, características y ventajas de la presente divulgación resultarán evidentes al leer la siguiente divulgación junto con las figuras de los dibujos, en los que:
la FIG. 1 es una vista en sección transversal de un aparato de enfriamiento;
la FIG. 2 es una vista en planta del aparato de enfriamiento de la FIG. 1; y
la FIG. 3 es un gráfico de la efectividad de enfriamiento como una función de la distancia aguas abajo que proporciona un ejemplo de la efectividad de enfriamiento que se puede lograr.
Descripción detallada
Con referencia inicialmente a la FIG. 1, un aparato de enfriamiento, que se indica de forma general como 10, incluye un miembro estructural interno 12 que se combina con una pared estructural externa 14, formando una cámara impelente 16 entre ellos. El miembro estructural interno 12 y la pared estructural externa 14 pueden estar formados de un material metálico, tal como, titanio. Una capa porosa 18 se puede unir con adhesivo o unir de otro modo a la pared estructural externa 14, y se pueden formar orificios de entrada 20 en la pared estructural externa 14 y pueden penetrar la capa porosa 18 proporcionando un flujo de aire de enfriamiento como se indica mediante las flechas en negrita 22 desde la cámara impelente 16 a la capa porosa 18. Los agujeros de entrada 20 pueden tener, por ejemplo, un diámetro de aproximadamente 2,29 mm (90 milésimas de pulgada), una profundidad de hasta la mitad del espesor de la capa porosa 18, y pueden estar separados por aproximadamente 6,9 mm (0,27").
La capa porosa 18 puede tener un tamaño de huecos de menos de 50 micrómetros y puede formarse a partir de un aislamiento de espuma cerámica. La baja conductividad térmica de la espuma cerámica ayuda a minimizar el enfriamiento requerido del sistema de control de temperatura de una superficie. La baja resistencia estructural de la espuma cerámica en comparación con los materiales porosos convencionales no es importante, ya que la cámara impelente estructural subyacente funciona como la estructura de soporte de carga primaria. Un ejemplo del tipo de espuma cerámica al que se hace referencia es el aislamiento térmico rígido Rescor 360 disponible en el mercado. Este aislamiento es fabricado por Cotronics Corporation y puede tener una densidad de aproximadamente 256,3 kg/m3 (16 libras/pie3) y un espesor de aproximadamente 2,54 cm (1,0"). Debido a las cualidades aislantes de la espuma cerámica, se puede unir a la cámara impelente utilizando silicona vulcanizante a temperatura ambiente (RTV) disponible en el mercado, como GE RTV-630, GE RTV-560 o Dow Corning DC3145. El espesor de la línea de unión para el adhesivo puede ser tan delgado como 0,2 mm (0,008").
Puede disponerse una capa 24 semipermeable sobre una superficie exterior de la capa 18 porosa. La capa semipermeable 24 protege la capa porosa de baja resistencia subyacente de la erosión por flujo de alta velocidad y puede estar compuesta por una capa de densificación cubierta con un compuesto de matriz cerámica (CMC). Un ejemplo de un producto de densificación es el inmovilizador y endurecedor de aislamiento líquido Rescor 901A disponible en el mercado fabricado por Cotronics Corporation. El tejido Nextel 312 combinado con una matriz cerámica sinterizada es un ejemplo de CMC. En un entorno donde la radiación es el modo dominante de transferencia de calor, la capa semipermeable 24 podría ser, en cambio, una capa superficial semipermeable altamente reflectante que, cuando se adhiere a la superficie exterior de la capa porosa 18, restringiría la transpiración y minimizaría la energía absorbida.
La capa de barrera semipermeable puede incluir una pluralidad de perforaciones que funcionan como orificios de salida 26 para el aire de enfriamiento. Estos orificios de salida 26 no necesitan estar alineados con los orificios de entrada 20 y pueden disponerse en filas escalonadas, formando una cuadrícula uniforme como se muestra en la Figura 2. La relación entre los orificios de salida 26 y los orificios de entrada 20 puede ser de aproximadamente 10,7 orificios de salida por orificio de entrada. Los orificios de salida 26 pueden tener un diámetro de aproximadamente 1 mm (40 milésimas de pulgada), una profundidad de aproximadamente 2,5 mm (0,1") y puede tener una separación de 3,05 mm (0,12"). Los orificios de salida 26 pueden formarse usando una operación de perforación o una operación de perforación simple y económica que penetra en una parte de la capa semipermeable 24, sin necesidad de una costosa operación de perforación.
Una fuente de calor, indicada por las flechas 30, está dispuesta encima del aparato de enfriamiento 10. El aire de enfriamiento introducido en la cámara impelente 16, como se indica mediante las flechas 32, entra en la capa porosa 18 a través de los orificios de entrada 20, como se indica mediante las flechas 22. El aire de enfriamiento se extiende después en el plano de la capa porosa 18 mientras se desplaza a través del espesor de la capa porosa 18, como se indica mediante una pluralidad de flechas 34 mostradas en la capa porosa 18. La mayor parte del aire de enfriamiento fluye a través de los orificios de salida 26, como se indica mediante las flechas 36, dado que la capa semipermeable 24 es un obstáculo significativo para el flujo de aire de enfriamiento fuera de la capa porosa 18. La pequeña cantidad de aire de enfriamiento que no fluye a través de los orificios de salida 26 transpira a través de la capa semipermeable 24 en las áreas entre los orificios de salida 26, como se indica mediante las flechas 28.
La divulgación combina los mejores atributos de la película y el enfriamiento por transpiración al tiempo que supera las limitaciones de cada método. Este sistema tiene muchos menos orificios perforados a través de la pared externa de la cámara impelente en comparación con lo que se necesitaría en un sistema de enfriamiento por película convencional. Esto hace que la cámara impelente sea más fácil de fabricar y estructuralmente más resistente. Un pequeño número de orificios de entrada en la pared externa de la cámara impelente mantiene un control uniforme de la temperatura de la superficie porque el aire de enfriamiento se difunde fácilmente tanto en el plano como a través del espesor de la capa porosa, un efecto que se amplifica por la severa restricción de la transpiración que ocurre en la capa semipermeable.
En comparación con un sistema de enfriamiento por película convencional, se puede pensar que los orificios de salida del refrigerante se han movido desde la pared externa de la cámara impelente a la superficie de la espuma cerámica porosa. Los orificios de salida se pueden fabricar fácilmente en la espuma porosa utilizando un simple punzón que penetra la barrera semipermeable sin tener que emplear una costosa operación de perforación.
La capa de espuma cerámica sirve además para reducir en gran medida la velocidad de salida del aire de enfriamiento. Las velocidades de enfriamiento más bajas reducen la penetración de la capa límite, evitando así un error común de los sistemas de enfriamiento por película convencionales y proporcionando, en cambio, un rendimiento de enfriamiento comparable al de los sistemas de enfriamiento por transpiración convencionales. La baja conductividad del aislamiento de espuma cerámica porosa minimiza la transferencia de calor del entorno de alto flujo de calor y, por lo tanto, permite que la cámara se construya a partir de materiales de temperatura más baja y menor coste. La baja resistencia del aislamiento de espuma cerámica liviana se mitiga uniendo la espuma directamente a la pared externa estructural de la cámara impelente. Esta disposición es más fuerte que los sistemas que utilizan cerámicos convencionales enfriados por transpiración, y es más liviana que los sistemas de enfriamiento por transpiración de metal sinterizado poroso.
Estos beneficios se materializan en un sistema que proporciona un control de la temperatura de la superficie superior a los sistemas de enfriamiento por película convencionales y comparable a los sistemas de enfriamiento por transpiración convencionales. La eficiencia térmica de la divulgación es alta porque la combinación de enfriamiento por película y enfriamiento por transpiración incorporada en este sistema crea una película de enfriamiento en la superficie externa con una mínima penetración de la capa límite. Esto, a su vez, significa que se necesitan caudales de refrigerante más bajas para lograr una temperatura de superficie determinada en comparación con los sistemas de enfriamiento por película convencionales.
La eficiencia térmica de la divulgación se ha demostrado en experimentos de laboratorio. Se llevó a cabo un ensayo en el que una hoja aislante cerámica porosa de 2,54 cm (1") de espesor con una capa semipermeable de CMC endurecida unida se unió de forma adhesiva a un sustrato de titanio usando silicona de alta temperatura. La capa semipermeable de la muestra fue penetrada por orificios de salida dispuestos en una cuadrícula uniforme que consistía en filas escalonadas de orificios. Estos orificios tenían aproximadamente 1 mm (40 milésimas de pulgada) de diámetro, separados por aproximadamente 3,05 mm (0,12") y penetraban hasta una profundidad de aproximadamente 2,54 mm (0,1"). Se perforaron orificios de entrada que tenían un diámetro de aproximadamente 2,29 mm (90 milésimas de pulgada) a través del sustrato de titanio con una densidad de orificios de 10,7 orificios de salida por orificio de entrada. Se dirigió aire a alta velocidad y alta temperatura tangencialmente sobre la superficie de la muestra mientras se soplaba aire de enfriamiento a través de la muestra a varios caudales.
Los resultados de este ensayo se presentan en la Figura 3. La figura representa la efectividad de enfriamiento n, como una función de la distancia aguas abajo sobre la muestra. La efectividad de enfriamiento es una medida de la eficiencia con la que el aire de enfriamiento reduce la temperatura de la superficie de la muestra por debajo de la temperatura de la superficie no enfriada, como se indica en la ecuación que se muestra anotada en el gráfico. Una efectividad de enfriamiento de 0,0 corresponde a una temperatura de la pared enfriada igual a la temperatura de la pared sin enfriar mientras que una efectividad de enfriamiento de 1,0 corresponde a una temperatura de la pared enfriada igual a la temperatura de suministro de la cámara impelente del refrigerante. Las líneas verticales en el gráfico, 38 y 40, delinean los límites aguas arriba y aguas abajo, respectivamente, de la cuadrícula de orificios de salida en la superficie de la muestra.
El efecto de dos modos de enfriamiento distintos en la superficie de la muestra se puede ver en la forma de las curvas de efectividad. Existe una región aguas arriba inicial sobre la cual se acumula el espesor de la película de enfriamiento, caracterizada por una efectividad en rápido aumento, seguida de una región de película de enfriamiento completamente desarrollada caracterizada por una efectividad aproximadamente constante.
La divulgación logra un alto nivel de aproximadamente el 71 % de efectividad de enfriamiento en la región completamente desarrollada con un modesto caudal de aire de enfriamiento de 0,034 kg/min/cm2 (0,49 lbm/min/pulg.2). Reducir el caudal de refrigerante por encima del 40 % a 0,020 kg/min/cm2 (0,29 lbm/min/pulg.2) solo reduce la efectividad completamente desarrollada a aproximadamente el 65 %. Una reducción adicional del caudal a 0,013 kg/min/cm2 (0,18 lbm/min/pulg.2) produce una efectividad completamente desarrollada de aproximadamente el 59 %. El hecho de que solo se pierdan 12 puntos porcentuales de efectividad por una reducción de casi dos tercios en el caudal de refrigerante destaca la alta eficiencia térmica de la divulgación.
Las curvas de efectividad también muestran el alto grado de uniformidad de enfriamiento logrado en la región completamente desarrollada de la superficie de la muestra, especialmente a los caudales más altos. Esto muestra que la divulgación produce un grado correspondientemente alto de uniformidad en la temperatura de la superficie.
Un sistema de enfriamiento de acuerdo con la divulgación es más barato, estructuralmente más fuerte y térmicamente más eficiente que los sistemas de enfriamiento por película convencionales. La divulgación también proporciona un sistema de enfriamiento que es estructuralmente más fuerte, más liviano y es al menos tan eficiente térmicamente como los sistemas convencionales de enfriamiento por transpiración. Además, la divulgación se puede adaptar
fácilmente a una variedad de situaciones de diseño que ocurren en aeronaves, misiles, vehículos hipersónicos y naves espaciales.
Aunque las realizaciones preferidas de la divulgación se han divulgado con fines ilustrativos, los expertos en la materia apreciarán que son posibles diversas modificaciones, adiciones y sustituciones. Por ejemplo, aunque el aire se ha divulgado como refrigerante, por supuesto, se pueden utilizar otros fluidos.
Claims (5)
1. Un método para enfriar una superficie, comprendiendo el método:
proporcionar una capa porosa (18) debajo de dicha superficie;
proporcionar una cámara impelente (16) estructural debajo de dicha capa porosa, en donde dicha cámara impelente está limitada por un miembro estructural interno (12) y una pared estructural externa (14), y en donde dicha capa porosa está unida a dicha pared estructural externa, por fuera de la cámara impelente;
proporcionar una capa semipermeable (24) que incluye una pluralidad de orificios de salida (26), en donde la capa semipermeable está unida a una superficie exterior de la capa porosa;
proporcionar refrigerante presurizado dentro de la cámara impelente; y
hacer fluir el refrigerante desde dicha cámara impelente a través de uno o más orificios de entrada (24) formados en dicha pared estructural externa hacia dicha capa porosa y a través de dichos orificios de salida, en donde el flujo de refrigerante que sale a través de dichos orificios de salida se combina con el refrigerante que transpira a través de dicha capa semipermeable formando una película de enfriamiento en dicha superficie.
2. El método de la reivindicación 1, en donde al menos uno de dicho miembro estructural interno y dicha pared estructural externa está formado de un material metálico.
3. El método de la reivindicación 1 o la reivindicación 2, en donde dicha capa porosa está unida adhesivamente a dicha pared estructural externa.
4. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en donde el refrigerante se extiende en el plano de dicha capa porosa mientras se desplaza a través del espesor de dicha capa porosa.
5. El método de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 4, en donde la mayoría del refrigerante fluye a través de dichos orificios de salida y una minoría del refrigerante transpira a través de dicha capa semipermeable.
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