Основы теории и расчета жидкостных ракетных двигателей. Учебник под ред. В.М.Кудрявцева (1014186), страница 78
Текст из файла (страница 78)
1 15) где С вЂ” коэффициент лучеиспускания данного тела; С, — коэффициент лученспускания абсолютно черного тела, С, =- 5,67 Вт/(м' К4); е = С/С, — величина, характеризующая относительную излучательную способность данного тела по сравнению с излучательной способностью абсолютно черного тела. Величину е = 0 —: 1 называют относительной излучательной способностью или степенью черноты тела.
Если на тело падает лучистая энергия величиной |/, из которой тело поглощает энергию величиной дж то А =- |/л/|7 характеризует поглощательную способность тела. Величина А изменяется в пределах 0 — 1. Наибольшей поглощательной способностью обладает абсолютно черное тело, для которого А = = 1. Для абсолютно белого тела А = О, т. е. вся лучистая энергия полностью отражается и тело ничего не поглощает. Важное значение в радиационном теплообмене имеет закон Кирхгофа, который устанавливает связь между излучательной и поглощательной способностями тела.
Согласно этому закону отношение коэффициента излучения данного тела С к коэффициенту излучения абсолютно черного тела С, равно относительной поглощательной способности тела: С/С, = А. Из этого закона следует важное равенство: е = А, т. е. относительная нзлучательная способность тела равна относительной поглощательной способности тела. Отсюда, если тело обладает способностью излучать, то оно обладает способностью и поглощать. Абсолютно белое тело не излучает и не поглощает.
При наличии в некотором пространстве двух (или нескольких) тел с различной температурой между телами происходит радиационный или лучистый теплообмен. Количество лучистой энергии, получаемой данным телом от более нагретых окружающих тел, или, что то же, лучистый (радиационный) тепловой поток, определяется разностью между излучаемой и поглощаемой телом лучистой энергией: д„= С„((Т,/100)' — (Т,/100)'), (! 1.
116) где ф— приведенный коэффициент излучения системы тел, между которыми происходит процесс лучистого теплообмена; Т, — температура окружающих, более нагретых тел; Т, — температура тела, воспринимающего радиационный поток. Поскольку А =- е, то всюду величина А может быть заменена численно равной ей величиной е, и тепловой поток, получаемый менее нагретым телом, |/л = «»С«[(Т»/100)» — (Т«/100)4) (11.117) где е„— приведенная степень черноты системы. При лучистом тепло- 397 обмене между параллельными пластинами е„= 1/(1/е, + 1/е, — 1) Газы, так же как и твердые тела, обладают способностью излучать, поглощать и пропускать лучистую энергию.
Опыт показывает, что различные газы обладают различными свойствами по отношению к лучистой энергии. Одно- и двухатомные газы практически прозрачны для тепловых лучей, т. е. их излучательная и поглощательная способность чрезвычайно мала. Значительной излучательной и поглощательной способностью обладают трехатомные газы. Для ЖРД в большинстве случаев такими газами являются продукты полного сгорания углеводородных горючих — пары воды и углекислый газ. Отметим, что излучательная и поглощательная способности газов иные, чем у твердых тел: если твердые тела излучают и поглощают лучистую энергию в диапазоне всех длин волн, то газы способны излучать и поглощать лучистую энергию только в определенных интервалах длин волн. Короче говоря, газы обладают селективным (избирательным) спектром излучения и поглощения в отличие от сплошного спектра у твердых тел.
По этой причине для газов А -ь а. Это объясняется тем, что спектр излучения, строго говоря, не совпадает со спектром поглощения. Однако в технических расчетах для газов обычно принимают А = е. Точное изучение закона излучения газов показывает, что интенсивность излучения водяных паров пропорциональна Та, углекислого газа — Тз 4. Тем не менее в технических расчетах (для удобства) принимают для газов закон излучения твердого тела — закон четвертой степени Т4.
Однако в этом случае для компенсации слишком сильной зависимости излучения от температуры (Т') приходится в отличие от твердых тел вводить зависимость коэффициента излучения газов от температуры, соответственно уменьшая его с ростом температуры. Твердые тела для тепловых лучей практически непрозрачны, поэтому излучение и поглощение происходит в поверхностном слое. Газы же для лучей являются в той или иной степени прозрачными, поэтому излучение и поглощение у них происходят в некотором объеме и определяются количеством молекул, встречающихся на пути луча.
Количество молекул на пути луча пропорционально геометрической длине луча 1 и плотности р газа. Таким образом, нзлучательная способность газов, характеризуемая коэффициентом излучения или черноты газа а, является функцией произведения р! и Т и, конечно, зависит от природы газа, т. е. имеем зависимость 4 = 4 (9/, Т). (1 1,! 18) Кроме того, излучательная н поглощательная способности газов несколько увеличиваются с ростом плотности газа вследствие расширения спектральных полос излучения. Последнее особенно заметно для излучения водяных паров, для которых 4н — — 4(Р/, Т, Р), (11.
119) Таким образом, тепловой поток, который излучает газ в простран- 398 ство, с достаточной для технических целей точностью может быть выражен формулой, аналогичной формуле для твердого тела: 9„=.С, (Т/100)'. Бели газ окружен стенкой, то она имеет излучение, которое частично поглощается газом. В этом случае тепловой поток, который получает стенка, определяется разностью между излучением газа о„которое многократно поглощается и отражается стенкой, и излучением стенки 4/„, которое также многократно поглощается и пропускается газом: Чл = Чг — 94, = 4„.,эС, 14,(Т,/100)4 — А,(Т„/100)41, (11.120) Гдс Е .4ф = ЕсэД1 — (1 — а4 ) (1 — А,)) — ЭффЕКтнВНая СТЕПЕНЬ ЧЕрноты стенки; а„ вЂ” излучательная способность газа при температуре Т„; А„ — поглощательная способность газа при температуре Т„, принимают А,(Т„) ж а,(Т„).
Эффективная степень черноты стенки находится между степенью черноты материала стенки е„, учитывающей поглощение излучения при однократном падении луча, и единицей, соответствующей полному поглощению излучения при многократных отражениях луча в условиях замкнутого объема, заполненного прозрачной средой.
Основные особенности лучистого теплообмена в условиях ЖРД. В жидкостных ракетных двигателях процесс горения и истечения протекает, как известно, при значительных температурах и давлениях. В этих условиях ПС являются мощным источником лучистой тепловой энергии, которая воспринимается сравнительно холодными (при наружном охлаждении) стенками КС и сопла в виде лучистого теплового потока. Лучистый теплообмен в ЖРД имеет свои специфические особенности. Пер в а я о со бе н н о от ь.
Основным источником излучения в ЖРД, использующих углеводородные горючие, как и в любых других топках, является излучение продуктов полного сгорания — водяных паров и углекислого газа. Излучение остальных ПС, являющихся одно- и двухатомными газами, практически ничтожно по сравнению с излучением водяных паров и углекислого газа. Излучением твердых частиц углерода в камере сгорания ЖРД также можно полностью пренебречь, поскольку, как показывают данные термодинамического расчета горения топлив в ЖРД, присутствие твердого углерода в ПС.практически не наблюдается.
В то р а я о со бе н ность. Исходя из общих соображений можно утверждать, что наибольшие лучистые тепловые потоки будут наблюдаться в камере сгорания. Это следует из того, что в КС имеют место наибольшие значения давления и температуры газов, от величины которых в первую очередь зависит излучательная способность газов. При движении ПС по соплу температура и давление газов уменьшаются, причем особенно быстро уменьшаются после критического сечения, достигая наиболее низких значений в выходном сечении сои- 399 ла. Снижение термодинамическнх параметров газа приводит к резкому уменьшению излучения газа.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
