Мухачёв Г.А. Щукин В.К. - Термодинамика и теплопередача (1013614), страница 82
Текст из файла (страница 82)
Способность газа излучать и пордощать зависит от природы газа, параметров его состояния и геометрии объема, в котором он находится. При температуре меньше 5000 К одно- и двухатомные газы, состоящие из однородных атомов (водород, кислород, азот), обладают небольшой поглощательной способностью, а следовательно, могут излучать небольшое количество энергии. При этих уело. виях их можно отнести к диатермичным телам. Другие газы спо. собны излучать и поглощать заметные количества энергии. К ним относятся углекислый газ, водяной пар, диоксид серы, аммиак, оксид углерода и др. Газы обладают линейчатым спектром излучения и поглощения.
Поглощение и излучение газов имеет объемный характер. В отличие от газовых сред дисперсные системы способны отражать и рассеивать падающее на них излучение, и потому перенос энергии излучения оказывается более сложным процессом, чем в газах. Изменение интенсивности излучения в полупрозрачной среде за счет поглощения, излучения и рассеивания среды описывается уравнением переноса энергии излучения. Рассмотрим это уравнение для простейшего случая стационарного одномерного переноса энергии излучения в газовой среде. В этом случае перенос энер гни излучения определяется двумя параллельно протекающиМИ процессами: испусканием энергии излучения молекулами газа и поглощением падающей на них энергии излучения, в процессе ко- 420 торого энергия электромагнитных колебаний переходит в энергию теплового движения молекул.
Результатом наложения этих процессов может быть увеличение или ослабление интенсивности излучения по ходу луча. Изменение интенсивности излучения бУх при прохождении лу'ча через элементарный объем газа толщиной дз определяется разностью между энергиями поглощения и излучения. В соответствии с законом Бугера поглощенная на длине бз энергия по абсолютной величине равна Ухпхбз (для газов Кх=а,)..Излученную газовым объемом энергию с учетом закона Кирхгофа можно определить по интенсивности излучения абсолютно черного тела как Уезахбз (здесь Уел — спектральная интенсивность излучения абсолютно черного тела при температуре газа). Баланс энергки для элементарного слоя газа позволяет записать «Ух=(Уоз — Уз) а, дз. (14.43) Это и есть уравнение переноса энергии излучен и я.
Интегрирование по толщине слоя от 0 до з при неизменных параметрах состояния газа и сс,=сопя( приводит к уравнению .7х= Ухе ""'+У,„(1 — л '"'). (14.44) Для дисперсных сред благодаря рассеиванию энергии излучения конденсированными частицами уравнение переноса энергии излучения усложняется и становится интегродифференциальным.
Практическое использование уравнения переноса энергии излучения для расчета теплообмена излучением в газовых и дисперсных средах предполагает интегрирование уравнения не только по толщине слоя, но и по спектру (т. е. по длинам волн). При этом для газовых сред решение задачи усложняется тем, что они имеют линейчатый спектр излучения, а их радиационные характеристики существенно зависят от температуры. Поэтому на практике для расчета теплообмена излучением с учетом газовых сред чаще применяется методика, основанная на использовании интегральной степени черноты е„ которую определяют на основе экспериментальных данных. Количество поглощаемой (а следовательно, и излучаемой) газом энергии зависит от толщины газового слоя и концентрации поглощающих (или излучающих) молекул.
Концентрацию молекул удобно оценивать парциальным давлением газа р. Так как толщина газового слоя и парциальное давление газа в одинаковой мере влияют на число участвующих в теплообмене молекул, то степень черноты газа и его поглощательную способность можно выбирать в зависимости от параметра р1, где ! — средняя длина луча в пределах газового слоя *. Величина ! подсчитана для е Это правнло справедливо не Лля всех газов, в частности оно нарушается для водяного пара. 42! различных форм газового объема и приводится в справочниках Например, для куба с ребром а величина 1=0,6а.
Излучаемая газом энергия пропорциональна абсолютной тем. пературе в степени меньше четырех, поэтому при использовании для оценки излученной энергии формулы г)= е„Сз(77 100)з (14.45) величину е„необходимо выбирать в зависимости от температуры, Таким образом, а„=У(т, р(). Форма этой зависимости для конкретных газов выявляется экспериментальным путем. $ з4Л. ТЕНЛООБМЕН ИЗЛУЧЕНИЕМ МЕЖДУ ГАЗОМ И ОБОЛОЧКОИ Интенсивность теплообмена излучением между газом и оболочкой определяется их температурами, природой газа и состоянием поверхности оболочки. (14.4б) Количество теплоты, которое от излучающего газа передается на каждый квадратный метр поверхности оболочки в единицу времени, определяется по формуле —,7=а'Со~аз ( — ) — Аг( — ) ] где е' — эффективная степень черноты стенки; А„— поглощательная способность газа при температуре стенки. Наиболее хорошо изучен теплообмен излучением для НзО н СОз, которые содержатся в продуктах сгорания углеводородных топлив.
Для смеси, содержащей эти газы, степень черноты определяется формулой а, = асо, + ан,о — асо,аи,о. (14.47) Последний член в этой формуле отражает эффект взаимопо. глощения; полосы излучения и поглощения в спектрах СОз и НзО частично совпадают, поэтому взаимопоглощение уменьшает изл ение газовой смеси. Г иачения степени черноты углекислого газа и водяного пара получены экспериментально Хоттелем и Эгбертом при давлении рж10з Па и температуре до 2000'С. Графики для степени черноты экстраполированы в область повышенных температур, а для водяного пара — еще и в область повышенных давлений.
Парциальное давление водяных паров влияет на степень черноты несколько сильнее, чем средняя длина луча. Поэтому 'н,о=1 — (1 — ан,о)", где и=1+лари,о. Здесь пз — коэффициент, учитывающий влияние давления водя 422 яых паров на ен,о. При 1=0...2000'С степень черноты бесконечно толстого слоя газов составляет ен,о=0,75...0,4 и асо,=0,32...0,2. Эффективная степень черноты стенки больше действительного ее значения, так как стенка не только излучает, но и отражает часть излучения газа и противоположного участка оболочки. Эффективную степень черноты стенки можно подсчитать по формуле а' = а, 11+(1 — а ) (1 — а„)] .
Поглощательную способность газа А„можно принять равной степени черноты газа е„которая подсчитывается по формуле (14.47) при температуре стенки. Для некоторых расчетов формулу (14.46) удобно использовать в виде д=алрСо[( г ) — ~ — )~~, (14.48) где кар=а мк г приведенная степень черноты системы; а г— эффективная степень черноты газа. Приравнивая правые части равенств (14.46) и (14.48), получим а„'=~а„— А„~ — ~) ~ / ~1 — ~ Ц. (14.49) Опытные зависимости е=)(Т, р1) имеются также, кроме СОз н НтО, для газов ЯОт, СО и )ч)Нз.
В ракетных двигателях наибольший тепловой поток, передаваемый излучением, достигается в камере сгорания и уменьшается по тракту двигателя в соответствии с уменьшением термодинамической температуры газа. Для приближенной оценки распределения потоков теплоты, передаваемых излучением, по длине сопла можно считать, что до сечения сопла, в котором с(= = 1,2г(„ш плотность теплового потока одинакова с плотностью в камере сгорания д„,, в критическом сечении составляет 0,5пам, а в закритической части прн Н= 1,5д„р достигает О,!д Химические реакции в потоке влияют на лучистый теплообмен только через состав газа.
Присутствие конденсированных частиц в продуктах сгорания ракетных топлив приводит к существенному повышению степени черноты, которая для дисперсных систем может достигать значений 0,3...0,8. й 14.6. РАДИАЦИОННО-КОНВЕКТИВНЫИ ТЕПЛООБМЕН Если радиационный и конвективный потоки теплоты считать ие зависящими друг от друга, то плотность теплового потока при 423 В большнистне случаен радиационный теплообмен протекает одионременно с коннектинным.
Поверхность может получать или отдавать теплоту соприкоснонением с газоной средой, а также путем теплообмена излучением. радиационно-конвективном теплообмене можно рассчитать по формуле (1.16). Сравнивая плотности теплового потока, передан ного к поверхности теплообмеиа путем излучения (формулы (1.15) и (14.48)1, легко получить формулу для величины ааш, которая входит в коэффициент радиационно-конвективного теплообмена; а„„=Сз'1О в(Тз+ТгТ +Т Та+Та')з р (1456) Когда температура тел, определяющих радиационный и конвективный теплообмен, неодинакова, то общий тепловой поток находится как сумма отдельно подсчитанных радиационного н конвективного тепловых потоков.
Если в теплообмене участвует капельная жидкость, то а, =О. ГЛАВА 15 СПОСОБЫ ИЗМЕНЕНИЯ ИНТЕНСИВНОСТИ ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ При конструировании машин н аппаратов часто возникает необходимость ослабить или усилить передачу теплоты через стенки. й 15.1. ТЕПЛОВАЯ ИЗОЛЯЦИЯ Анализ формулы общего термического сопротивления плоской стенки (3.15) показывает, что дополнительный слой тепловой изоляции любой толщины не.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
