11.5. Теплообмен в замкнутой полости

Выше рассмотрен теплообмен между двумя плоскими параллельными поверхностями. Описанный метод можно применить и к поверхностям в замкнутом пространстве (рис. 11.5.).

В этом случае тепловой поток между телами определяется формулой:

_(11.13)

где

F₁ – площадь наименьшей поверхности.

Р ис. 11.5. К вопросу о теплообмене в замкнутой полости

11.6. Излучение газов и паров

Газы (азот, водород, кислород, воздух), в молекулах которых содержатся один или два одинаковых атома, полностью прозрачны для электромагнитного излучения при температуре ниже 10000 К. Лишь многоатомные газы, имеющие несимметричные молекулы, обладают способностью к поглощению (а, следовательно, и к излучению) электромагнитной энергии. Это такие газы, как водяной пар, углекислота, окись углерода, двуокись серы, аммиак, хлористый водород, углеводороды.

Наиболее важное значение для техники имеет излучение водяного пара H₂O и углекислоты CO₂, которые всегда содержатся в продуктах сгорания. В отличие от твердых тел газы излучают и поглощают энергию не при любой длине волны, а лишь в пределах нескольких узких диапазонов волн, называемых полосами излучения (поглощения). Такое излучение называется избирательным, или селективным. Твёрдые тела излучают и поглощают энергию волн всех длин волн: от λ = 0 до λ = ∞.

Полосы излучения (и поглощения) для паров H₂O и CO₂ (табл. 11.2) лежат в невидимой (инфракрасной) части спектра.

Таблица 11.2

Полосы излучения (и поглощения) для паров H₂O и CO₂

Полоса	, мк	, мк
1 2 3	2,36…3,02 4,01…4,80 12,50…16,50	2,24…3,27 4,80…8,50 12,0…25,0

Проходя через слой поглощающего газа, интенсивность лучистого потока падает постепенно, в зависимости от концентраций CO₂ и H₂O, которые учитывают парциальным давлением, и в зависимости от толщины слоя газа. Следовательно, второе отличие излучения газа от излучения твёрдого тела состоит в том, что твёрдое тело излучает (поглощает) энергию только поверхностью, газ – всем объёмом.

11.7. Излучение пламени

Характер излучения пламени зависит от типа сжигаемого топлива. Водород, окись углерода и ряд других газов горят почти бесцветным пламенем. Излучение такого пламени имеет характер чистого излучения и может быть рассчитано по методу, изложенным выше.

Большинство углеводородных топлив, в том числе авиационных, имеет светящееся пламя с жёлтоватой окраской. Это связанно, главным образом, с образованием большого количества мельчайших частичек углерода, которые являются источником данного свечения. Излучение такого пламени по своему характеру близко к излучению твёрдых тел; в частности, спектр его излучения является сплошным, хотя излучательная способность, а следовательно, и степень черноты его зависят от толщины излучающего слоя и давления так же, как и при чисто газовом излучении.

Степень черноты светящегося пламени выше степени черноты чисто газового пламени и зависит от ряда факторов: состава топлива, конструкции и размеров камеры сгорания, организации смесеобразования, соотношения окислителя и горячего, давления.

Концентрация твёрдых частичек меняется и вдоль камеры сгорания. Непосредственно в зоне пламени она максимальна, по мере удаления от пламени в конечных продуктах сгорания количество частичек углерода понижается или даже становится равным нулю.

На рис. 11.6. показан примерный характер изменения плотности теплового потока, обусловленного излучением пламени, вдоль основной камеры сгорания газотурбинного двигателя.

Рис. 11.6. Изменение плотности теплового потока по длине камеры сгорания

Наибольшая плотность излучения приходится на область, близкую к концу зоны горения, где имеет место наибольшая величина температуры газов и, по-видимому, наибольшая концентрация частичек углерода.

Для оценки лучистого теплообмена между пламенем и поверхностью камеры сгорания можно использовать формулу:

(11.14)

где T_пл, ε_пл – температура и степень черноты пламени.

В зоне максимального излучения в зависимости от схем организации процесса в камере сгорания и режима её работы степень черноты пламени меняется в пределах 0,2…0,8.

При проектировании систем охлаждения камер сгорания используют экспериментальные данные ε_пл, полученные на камерах сгорания аналогичных схем.