Термодинамика и теплопередача Болгарский А.В. Мухачев Г.А. Щукин В.К. (1013761), страница 79
Текст из файла (страница 79)
При одинаковых коэффициентах излучения стенок и экрана приведенные коэффициенты излучения всех систел! так>не будут оди- наковы ! С,=С„=С„=С 2 ! С С Из условия стационарности ды = !)„э = дп правые части равенств (13.13) и (13.14), найдем Приравнивая (й)'= —,' ~(й)'-'(й)'1 Подставив значение Я в уравнение (13.13) или (13.14), получим ця= — Спят( — ') (!о„~ 1.
! Чя = — гГ. я+1 (13. 16) Если коэффициенты излучения экрана и стенок неодинаковы (С, С, ~ С„), то при одном экране С,, С„+С„ Здесь С„+ С.„, чь С!м Эти коэффициенты определяются по формуле приведенного коэффициента излучения. С помо!цью формулы (!3.17) легко показать, что уменьшение Ся повышает эффективность экрана. Так, при С, = 0,3 и С, == = С, = 5,25 один экран уменыпает поток теплоты в 32 раза.
Повышенно эффективности экр:ша при уменьшении коэффициента излучения обусловлено повышением его отражательной способности )г (так как С = АСя, а А + )г = 1). Но уменьшение потока теплоты обусловлено не только отражением экрана, но и тем, что благодаря экрану уменьшается перепад температур, определяющий тепловой поток. В самом деле, ( — ') — ( — ') (( — ') — ( — ') .
(13.18) Поэтому дажевслучае,еслиС! — — С, = С = С„,т.е. когдаэкран ничего не отражает, благодаря условию (13.!8) всегда дя ( д. 4зз Сопоставление этой формулы с формулой (13.12), в которой С, = С,р, показывает, что постановка экрана с таким же коэффициентом излучения, как у стенок, приводит к уменьшению теплового потока в два раза.
Аналогичным анализом можно показать, что при двух параллельных экранах тепловой поток уменьшится в 3 раза, а при и экранах - в (п + 1) раз. Таким образом, при одинаковых коэффициентах излучения % 3. Излучение и поглощение газов Одноатомные и двухатомные газы, состоящие из однородных ато. мов (водород, кислород, азот), обладают небольшой поглощательной способностью и в большинстве случаев могут быть отнесены к диатермическим телам. Другие газы способны излучать и поглощать заметные количества энергии, К ним относятся углекислый газ, водяной пар, сернистый ангидрид, аммиак, окись углерода и др.
Газы обладают линейчатым спектром излучения и поглощения. Поглощение и излучение газов имеет объемный характер. Количество поглощаемой (а следовательно, и излучаемой) газом энергии зависит от толщины газового слоя и концентрации поглощающих (или излучающих) молекул. Концентрацию молекул удобно оценить 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 по. глощательную способность можно выбирать в зависимости от параметра р1, где 1 — средняя длина луча в пределах газового слоя*. Величина 1 подсчитана для различных форм газового объема и приводится в справочниках. Например, для куба с ребром а величина 1 = 0,6 а.
Излучаемая газом энергия пропорциональна абсолютной температуре в степени меньше четырех, поэтому при использовании для оценки излученной энергии формулы (13. 19) величину з, необходимо выбирать в зависимости от температуры. Таким образом и, =1 (Т,р1). Наиболее хорошо изучен теплообмен излучением для Н,О и СО„которые содержатся в продуктах сгорания углеводородных топлив. Для смеси, содержащей эти газы, степень черноты определяется формулой (! 3.20) вт = зсо, + з н,о — зсо, зн,о Последний член в этой формуле представляет собой эффект вза. имопоглошения, полосы излучения и поглощения в спектрах СО, и Н,О частично совпадают, поэтому взаимопоглошение уменьшает излучение газовой смеси.
Численные значения степени черноты углекислого газа и водяного пара получены экспериментально Хоттелем и Эгбертом при давлении р = 1 бар и температуре до 2000 ' С. Здесь приводятся графики для величин степени черноты, экстраполированные в область повышенных температур, а для водяного пара — еще и в область повышенных давлений (5), " Это правило справедливо ие для всех газов, в частности оио нарушается для водяного пари, 434 График для определения асо, показан на рис.
13.5. У водяных паров парциальное давление влияет на степень черноты несколько сильнее, чем средняя длина луча, Поэтому Здесь пг — коэффициент, учитывающий влияние давления водяных паров на ен,о Графики для определения ен,о и и показаны на рис. 13.6 и 13.7. При 1 = 0 — 2000' С степень черноты бесконечно толсто~о слоя газов составляет; зн,о — 0,75 — 0,4 и есо, = 0,32 — 0,2. аао, ог.
и/б да,' а аа м рг а~о поп пап опз аагп аат опг ппп оп Рнс !З.в Количество энергии излучения, испускаемое газом, определяется формулой (13.19), Но на практике больший интерес представляет теплообмен излучением между газом и оболочкой. Теплоту, которая передается газом, содержащим СОз и Н,О, на каждый квадратный метр поверхности в единицу времени, можно определить по эмпирической формуле а е„'Са ~в„( — ') — А,( — '" ) 1, (!3.21! где в„— эффективная степень черноты стенки; Аа — поглощательная способность газа при температуре стенки. Эффективная степень черноты стенки больше действительного ее звачения, так как стенка не только излучает, но и отражает часть излучения противоположного участка оболочки.
Эффективную степень черноты стенки можно подсчитать по формуле а( = з„(! +(1 — а„)(1 — за)). зн,о =1 — (! — зй,о)", где и= 1+трниь ~пап паап попа г пап папа паап г;,г ао го а а г Поглощательнукг способность газа А„можно принять равной степени черноты газа е„, которая подсчитывается по формуле (13.20) при температуре стенки. Для некоторых расчетов формулу (13.21) удобно использовать в виде (!3.22) англ п,в пп 05 п,с 0,2 4гб пгт 000 005 п,в п,с 0,5 004 цпм п,гп Рис.
гз.б где е, = е' к'„ — приведенная степень черноты системы; е,'— эффективная степень черноты газа. Приравнивая правые части равенств (13.21) и (13.22), получим (! 3. 23) 4зб п,пгт ппгп гпап апп П000 гпсгп 5000 5Ш т;К Рн,нч алга лг гп са га га 0 с 5 г Кроме СОз и Н,О, имеются опытные зависимости е = 1 1Т, р1) для Юз, СО и МН>!1б!. В ракетных двигателях наибольшая величина теплового потока, передаваемого 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 41 = 1,2 41к„ Лм4'" »>1»> я а>>1 д2 Й4 Й а 1д ба >л г У Рчс. 137 »ы, ста плотность теплового потока одинакова с плотностью в камере сгорания'4>„„„ в критическом сечении составляет 0,5 >7„,„„ а в закритической части при й = 1,5 41„„ достигает 0,1 >7„„,.
При входе ракетного аппарата в плотные слои атмосферы с большой скоростью воздух за ударной волной может иметь высокую температуру. В этих условиях даже прн очень небольших значениях степени черноты диссоциированного н ионизированного воздуха в окресгности передней критической точки аозникаюг значительные потоки энергии излучения от раскаленного воздуха к поверхности ракеты, возрастаюц>ие с увеличением скорости и уменьшением высоты полета. Расчеты, основанные на экспериментальных данных для отдельных газов, показывают, что нри Т =- = 12 000" К и нормальной плотности воздуха степень черноты га. зового слоя, толшина которого равна расстоянию от поверхности ракеты до ударной волны, составляет — 0,1. Прн Т = 8000' К и 437 нормальной плотности воздуха е, = 0,05.
При уменьшении плотности воздуха величина е, соответственно уменьшается. Химические реакции в потоке влияют на лучистый теплообмен только через состав газа. й 4. Излучение светящегося пламени При горении углеводородных топлив в продуктах сгорания могут содержаться конденсированные (жидкие или твердые) частицы, благодаря которым пламя приобретает обычно желтоватую окраску и становится непрозрачным.
Такое пламя называют факелом. Конденсированные частицы могут состоять из углерода, тяжелых углеводородов, окислов. Размеры этих частиц изменяются от 0,05 мкм до 0,25 мм, но благодаря большому количеству их и экранизирующему влиянию на излучение газа они в основном определяют излучение факела. Размеры и концентрация частиц в факеле зависят от вида и состава сжигаемого топлива, конструкции топки и ее размеров, способа подвода окислителя и т. п.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
