Заниматься ей вплотную приходилось инженерам и ученым-прикладникам. У них просто не было другого выхода, ибо именно конвекция — главный механизм теплопередачи в металлургическом производстве, в отопительных системах, в котельном деле. Без конвекции не могли бы охлаждаться радио-и электроприборы, тормоза, компрессоры. Без конвекции немыслимы холодильные устройства, морозильные камеры, химические и нефтеперерабатывающие устройства, энергетические установки.
Впрочем, нельзя сказать, чтобы теоретики совсем ничего не дали учению о конвекции. Напротив, еще Ньютон установил основное уравнение конвективного теплообмена. Он считал, что количество теплоты, переданное этим процессом, пропорционально поверхности нагрева, разности температур и коэффициенту теплоотдачи. Но основное заблуждение Ньютона состояло в том, что этот самый коэффициент он считал постоянным. В действительности же нет на свете величины, более причудливо зависящей от десятков факторов. Здесь и теплопроводность рабочего тела, и его вязкость, и плотность, и скорость, и теплоемкость. Иногда на величину коэффициента теплоотдачи влияет разность температур между стенкой и рабочим телом. У трубки, расположенной вдоль потока, теплообмен идет не так, как у трубки, расположенной поперек, и т. д.
Но сколь ни многочисленны эти факторы, все они влияют на конвективный теплообмен лишь постольку, поскольку влияют на пограничный слой. Эта невидимая рубашка, окутывающая любое тело, погруженное в жидкость или газ, надежная защита против теплопередачи. И чем вязче жидкость, чем меньше ее плотность, тем труднее сдуть с поверхности тела эту рубашку. Один из механизмов сдувания пограничного слоя возникает автоматически и знаком каждому по работе печного отопления. Порции воздуха близ стенки печки, нагреваясь за счет теплопроводности, становятся легче и поднимаются вверх, на их место подтекают новые порции холодного воздуха — так возникает свободная конвекция. Скорости воздуха здесь очень малы, толщина пограничного слоя — около сантиметра. Поэтому за 1 час 1 м2 поверхности при разности температур в 1 °C передает около 5–8 ккал.
Свободная конвекция сильно зависит от плотности рабочего тела. На высоте 20 км, где плотность воздуха меньше, чем на поверхности земли, в 18,5 раза, коэффициент теплоотдачи оказывается вчетверо меньшим. При еще более сильном разряжении архимедова сила, благодаря которой нагретый воздух всплывает вверх, может стать недостаточной для преодоления гидравлического сопротивления, и тогда механизм свободной конвекции перестает действовать.
Зато в плотной среде этот механизм действует весьма энергично. Свободная конвекция в воде — например, при нагревании воды в чайнике — дает коэффициенты теплоотдачи от 200 до 1000 ккал/ч м2 °С. А когда вода начинает кипеть, когда паровые пузыри дробят, сдувают, срывают пограничный слой, когда, всплывая, они перемешивают горячие и холодные порции жидкости, коэффициент теплоотдачи может достигать 40–45 тыс. ккал/чм2°С. Обратный процесс — конденсация пара идет еще интенсивнее. Здесь коэффициент теплоотдачи достигает 100–120 тыс. ккал/ч•м2•°С. Но и в том и в другом случае необходимо соблюдать одно условие: жидкость при кипении должна соприкасаться непосредственно с нагревающей поверхностью, а пар при конденсации должен соприкасаться непосредственно с поверхностью охлаждающей. Стоит поверхности покрыться при кипении непрерывной паровой, а при конденсации непрерывной жидкостной пленкой — и теплоотдача резко падает.
Толщину пограничного слоя можно уменьшить принудительным образом, обдувая горячую стенку воздухом с помощью вентилятора. Достаточно, скажем, повысить скорость до 5 м/с, и коэффициент теплоотдачи с 8 ккал/чм2°С при свободной конвекции поднимается до 30 ккал/ч•м2•°С. При такой принудительной конвекции все, что способствует турбулизации — завихрениям в потоке, увеличивает коэффициент теплоотдачи. В этом смысле шероховатые стенки лучше, чем идеально гладкие, поперечное обтекание труб лучше, чем продольное, тонкие трубки лучше, чем толстые.
До сих пор мы рассматривали механизмы передачи тепла в отрыве один от другого. Но на практике такие случаи чрезвычайно редки. Гораздо чаще на практике приходится сталкиваться с совокупным действием всех трех механизмов теплопередачи. Действием, которое делает процессы в окружающем нас мире необыкновенно сложными, необыкновенно трудными для научного анализа, но зато и необыкновенно разнообразными, богатыми и интересными для наблюдения и размышления возможностями…
Занимаясь исследованием теплопередачи, инженер-теплотехник, в сущности, ставит перед собой не бог весть какую сложную цель — уметь, когда нужно, полностью останавливать тепловой поток, а когда нужно, делать его сколь угодно большим. Конечно, как человек практики он понимает, что в жизни не бывает ни «нулей», ни «бесконечностей». И поэтому вполне готов удовлетвориться скромным решением: умением сильно замедлять и сильно убыстрять теплопередачу. И можно только дивиться тому множеству головоломнейших трудностей, которые ожидают его на пути к достижению этой простой на первый взгляд цели.
Возьмем, к примеру, замедление теплопередачи. Казалось бы, чего проще? Нужно лишь со всех сторон окружить систему стенками из материала, который очень плохо проводит тепло. Но если внимательно посмотреть, то окажется, что выбор не так уж богат. Лучшая адиабатическая — теплоизолирующая оболочка — сухое дерево проводит в 90 тыс. раз меньше тепла, чем серебро — лучшая диатермическая — теплопроводящая оболочка. Для сравнения укажем, что лучший электроизолятор — парафин проводит электрический ток в 31024 раз хуже, чем лучший электропроводник — серебро.
Правда, теплопроводность газов — хлора, двуокиси серы, двуокиси углерода меньше, чем у ваты. Но инженера ждало бы страшное разочарование, если бы он последовал теоретическим рекомендациям и соорудил теплоизоляцию из двух стенок, между которыми находился бы один из этих газов. В действительности тепловой поток раз в 10–20 превзошел бы ожидаемый, ибо в толстом слое газа неотвратимо начинается конвекция, перечеркивающая его низкую теплопроводность. Чтобы замедлить конвекцию, нужно воспрепятствовать перемешиванию газа, разбив его толщу на мелкие ячейки. В сущности, всякий легкий пористый материал и есть как бы «кусок воздуха», слои которого зафиксированы в пространстве и не могут перемешиваться. Правда, теплопроводность пористых материалов больше, чем у газообразного воздуха, но гораздо меньше, чем теплопроводность тех же самых, но уплотненных веществ. Превратив сосновые доски в опилки, мы уменьшаем их теплопроводность в 3,5 раза. Свежий сухой снег проводит тепло в 20 раз хуже, чем лед. Теперь нетрудно понять, почему пустотелые, наполненные воздухом шерстинки северного оленя хорошо защищают его от стужи, почему не замерзают под слоем снега семена и корни растений, почему считаются лучшими теплоизоляторами войлок, вата, пробка и т. д.
Другой способ воспрепятствовать конвекции — окружить предмет, если так можно выразиться, слоем вакуума, заключенного в герметической полости между двумя стенками. Такая изоляция, хорошо всем знакомая по обычному термосу, практически полностью исключает конвекцию и теплопроводность, и главным механизмом теплопередачи здесь становится излучение. А с потерями на излучение лучше всего бороться с помощью посеребренных экранов. Вакуумный промежуток с несколькими слоями посеребренной полированной пластиковой пленки проводит тепло в 300 с лишним раз хуже, чем воздух при атмосферном давлении.
Казалось бы, такая замечательная сверхизоляция способна полностью решить все проблемы, связанные с надежной блокировкой теплообмена. Но, увы, хорошие теплоизоляторы далеко не всегда оказываются веществами, способными, не разрушаясь, противостоять действию самой высокой температуры. Пробка, вата, войлок и многие другие теплоизоляторы в таких случаях не годятся, они выдерживают лишь низкие и умеренные температуры. Когда же речь заходит о 500–900 °C, на сцену выступает диатомит, асбест, асбослюда — вещества с весьма посредственными теплоизолирующими свойствами, но зато способные не разрушаться от действия таких температур. Одна-две тысячи градусов заставляют мириться с еще худшими теплоизоляторами, лишь бы они противостояли такому накалу. Наконец, рабочие температуры в 2000–2500 °C сужают выбор всего до нескольких веществ, к которым требование низкой теплопроводности предъявлять просто не приходится. Повысив температуру до 3300 °C, мы убедимся, что всего несколько материалов на Земле способны, не расплавившись, противостоять такому нагреву — графит, вольфрам, карбид циркония.
Лет сто назад такие температуры казались маячащими в самом далеком будущем. Но в тот момент, когда знаменитый французский химик Муассан обнаружил, что в его лабораторной дуговой печи расплавился и потек струйками тигель из магнезита — одного из самых тугоплавких веществ, стало ясно: не за горами время, когда техника научится получать температуры, при которых все известные на Земле материалы смогут выступать только в виде паров. И когда спустя несколько десятилетий это действительно произошло, задача обратилась!
Чтобы стенка, отделяющая раскаленную среду от холодной, не испарилась в мгновение ока, чтобы она могла вообще существовать, она должна очень хорошо проводить тепло. Замедление теплопередачи при высоких температурах оказалось невозможным без умения ускорять ее.
Стенки камеры сгорания жидкостного реактивного двигателя и его сопло должны как можно лучше проводить тепло и передавать его охлаждающему потоку. Малейшая заминка в этом процессе приведет к моментальному испарению стенки: ведь на каждый квадратный сантиметр ее поверхности обрушивается тепловой поток в 300 ккал/с! Действительно, когда стенка сделана из жаростойкой стали, ее тепловое сопротивление составляет примерно половину общего сопротивления, другие 45 % приходятся на долю конвективно-лучистого теплообмена в камере сгорания и 5 % — на сопротивление теплоотдачи от стенки к охлаждающему топливу. А поскольку температура выше всего там, где наибольшее тепловое сопротивление, оказывается, что наибольший температурный перепад «садится» именно на стенку. Стоит заменить жаропрочную сталь в 10 раз более теплопроводным алюминием, и доля стенки в тепловом сопротивлении упадет всего до 10 %, а доля конвективно-лучистого теплообмена возрастет до 84 %. В результате максимальный температурный перепад перекочевывает на слои газа в камере сгора