Varmeskjold -Heat shield

I ingeniørfag er et varmeskjold en komponent designet for å beskytte en gjenstand eller en menneskelig operatør mot å bli brent eller overopphetet ved å spre, reflektere eller absorbere varme. Begrepet brukes oftest i referanse til eksosvarmestyring og til systemer for å spre friksjonsvarme.

Prinsipper for drift

Varmeskjold beskytter strukturer mot ekstreme temperaturer og termiske gradienter med to primære mekanismer. Termisk isolasjon og strålingskjøling isolerer henholdsvis den underliggende strukturen fra høye ytre overflatetemperaturer, mens de sender ut varme utover gjennom termisk stråling . For å oppnå god funksjonalitet er de tre egenskapene som kreves for et varmeskjold lav termisk ledningsevne (høy termisk motstand ), høy emissivitet og god termisk stabilitet (ildfasthet). Porøs keramikk med belegg med høy emissivitet (HECs) brukes ofte for å møte disse tre egenskapene, på grunn av den gode termiske stabiliteten til keramikk, den termiske isolasjonen av porøse materialer og de gode strålingskjøleeffektene som tilbys av HECs.

Bruker

Automotive

På grunn av de store varmemengdene som avgis av forbrenningsmotorer, brukes varmeskjold på de fleste motorer for å beskytte komponenter og karosseri mot varmeskader. I tillegg til beskyttelse kan effektive varmeskjold gi en ytelsesfordel ved å redusere temperaturen under panseret, og dermed redusere inntakstemperaturen. Varmeskjold varierer mye i pris, men de fleste er enkle å montere, vanligvis med klemmer i rustfritt stål eller høytemperaturtape. Det er to hovedtyper av varmeskjold for biler:

  • Det stive varmeskjoldet har inntil nylig vært laget av solid stål, men er nå ofte laget av aluminium. Noen high-end stive varmeskjold er laget av aluminiumsplate eller andre kompositter, med et keramisk termisk barrierebelegg for å forbedre varmeisolasjonen.
  • Det fleksible varmeskjoldet er vanligvis laget av tynne aluminiumsplater, selges enten flatt eller i rull, og bøyes for hånd av montøren. Høyytelses fleksible varmeskjold inkluderer noen ganger ekstrautstyr, for eksempel keramisk isolasjon påført via plasmaspraying . Disse nyeste produktene er vanlig i toppmotorsporter som Formel 1 .
  • Tekstilvarmeskjold som brukes til ulike komponenter som eksos, turbo, DPF eller andre eksoskomponenter.

Som et resultat blir et varmeskjold ofte montert av både amatør- og profesjonelt personell under en fase av motortuning .

Varmeskjold brukes også til å kjøle motorfesteventiler. Når et kjøretøy kjører i høyere hastighet er det nok luft til å kjøle ned motorrommet under panseret, men når kjøretøyet beveger seg i lavere hastigheter eller klatrer i en stigning, er det behov for å isolere motorvarmen for å overføres til andre deler rundt. det, f.eks. Motorfester. Ved hjelp av riktig termisk analyse og bruk av varmeskjold, kan motorfesteventilene optimaliseres for de beste ytelsene.

Fly

Noen fly i høy hastighet, som Concorde og SR-71 Blackbird , må designes med tanke på lignende, men lavere, overoppheting som det som skjer i romfartøyer. I tilfellet med Concorde kan aluminiumsnesen nå en maksimal driftstemperatur på 127 °C (som er 180 °C høyere enn omgivelsesluften utenfor som er under null); de metallurgiske konsekvensene knyttet til topptemperaturen var en vesentlig faktor for å bestemme den maksimale flyhastigheten.

Nylig har det blitt utviklet nye materialer som kan være overlegne RCC . Prototypen SHARP ( S lender H ypervelocity A erothermodynamic R esearch P robe) er basert på ultrahøytemperaturkeramikk som zirkoniumdiborid (ZrB 2 ) og hafniumdiborid (HfB 2 ). Det termiske beskyttelsessystemet basert på disse materialene vil tillate å nå en hastighet på Mach nummer 7 ved havnivå, Mach 11 på 35 000 meter og betydelige forbedringer for kjøretøy designet for hypersonisk hastighet . Materialene som brukes har termiske beskyttelsesegenskaper i et temperaturområde fra 0 °C til + 2000 °C, med smeltepunkt på over 3500 °C. De er også strukturelt mer motstandsdyktige enn RCC, så de krever ikke ekstra forsterkninger, og er svært effektive til å gjenbestråle den absorberte varmen. NASA finansierte (og avviklet deretter) et forsknings- og utviklingsprogram i 2001 for å teste dette beskyttelsessystemet gjennom University of Montana.

EU-kommisjonen finansierte et forskningsprosjekt, C3HARME, under NMP-19-2015-utlysningen av rammeprogrammer for forskning og teknologisk utvikling i 2016 (pågår fortsatt) for design, utvikling, produksjon og testing av en ny klasse ultra-ildfast keramikk matrisekompositter forsterket med silisiumkarbidfibre og karbonfibre egnet for applikasjoner i tøffe romfartsmiljøer.

Romfartøy

Apollo 12 kapselens ablative varmeskjold (etter bruk) utstilt på Virginia Air and Space Center
Termisk soak aerodynamisk varmeskjold brukt på romfergen.

Romfartøy som lander på en planet med en atmosfære , som Jorden , Mars og Venus , gjør det for tiden ved å gå inn i atmosfæren med høye hastigheter, avhengig av luftmotstand i stedet for rakettkraft for å bremse dem. En bieffekt av denne metoden for atmosfærisk gjeninntreden er aerodynamisk oppvarming , som kan være svært ødeleggende for strukturen til et ubeskyttet eller defekt romfartøy. Et aerodynamisk varmeskjold består av et beskyttende lag av spesielle materialer for å spre varmen. To grunnleggende typer aerodynamisk varmeskjold har blitt brukt:

Med mulige oppblåsbare varmeskjold , som utviklet av USA (Low Earth Orbit Flight Test Inflatable Decelerator - LOFTID) og Kina, anses engangsraketter som Space Launch System å være ettermontert med slike varmeskjold for å berge de dyre motorene, ev. redusere kostnadene ved lanseringer betydelig.

Passiv kjøling

Passivt avkjølte beskyttere brukes til å beskytte romskip under atmosfærisk inntrengning for å absorbere varmetopper og deretter bestråle passiv varme til atmosfæren. Tidlige versjoner inkluderte en betydelig mengde metaller som titan , beryllium og kobber . Dette økte kjøretøyets masse kraftig. Varmeabsorpsjon og ablative systemer ble å foretrekke.

I moderne kjøretøy kan passiv kjøling finnes som forsterket karbon-karbon- materiale i stedet for metall. Dette materialet utgjør det termiske beskyttelsessystemet til nesen og forkantene på romfergen og ble foreslått for kjøretøyet X-33 . Karbon er det mest ildfaste materialet kjent med en sublimasjonstemperatur (for grafitt ) på 3825 °C. Disse egenskapene gjør det til et materiale spesielt egnet for passiv kjøling , men med den ulempen at det er veldig dyrt og skjørt. Noen romfartøyer bruker også et varmeskjold (i konvensjonell bilforstand) for å beskytte drivstofftanker og utstyr mot varmen som produseres av en stor rakettmotor . Slike skjold ble brukt på Apollo Service Module og Lunar Module nedstigningsscenen.

Militær

Varmeskjold er ofte festet til semi-automatiske eller automatiske rifler og hagler som løpsdeksler for å beskytte brukerens hender mot varmen forårsaket av avfyring av skudd i rask rekkefølge. De har også ofte blitt festet til kamphagler med pumpeaksjoner, slik at soldaten kan ta tak i løpet mens han bruker en bajonett.

Industri

Varmeskjold brukes i metallurgisk industri for å beskytte strukturstål i bygningen eller annet utstyr fra den høye temperaturen til flytende metall i nærheten

Se også

Referanser