8.3. Лучистый теплообмен в камерах сгорания

В камерах сгорания тепловых двигателей (ДВС, ГТД), в котельных топках происходит интенсивный обмен лучистой энергией между продуктами сгорания топлива и окружающими их стенками.

При горении углеводородного топлива пламя не прозрачно, имеет желтоватую окраску. Непрозрачность пламени обусловлена содержанием в нем большого количества раскаленных мелких твердых включений углерода, золы, тяжелых углеводородов и прочих частиц. Хотя размеры этих частиц не велики (от 0,05 мк до 0,25 мм), но в отдельных случаях благодаря большому их количеству излучательная способность продуктов сгорания существенна. Оценить лучистый теплообмен такого пламени в камере сгорания весьма сложно. На сегодняшний день более полно изучен вопрос лучистого теплообмена между высокотемпературным пламенем и его оболочкой.

Газы, как и твердые тела, способны излучать и поглощать лучистую энергию. Однако этот процесс для газов имеет некоторые особенности, а именно:

– излучательной и поглощательной способностью обладают в основном многоатомные (трех и более) газы (СО₂ , Н₂О, NH₃ и т.д.);

– всякий газ излучает и поглощает энергию всем своим объемом;

– спектры излучения трехатомных газов, в отличие от спектров излучения серых тел, имеют резко выраженный селективный характер.

Одно – и двухатомные газы практически не излучают и не поглощают лучистую энергию.

Количество излучаемой, а, следовательно, и поглощаемой энергии газов зависит от толщины газового слоя, концентрации излучающих молекул и температуры газа. В практике расчетов излучения газов обычно приходится иметь дело не с плоским слоем, а с некоторым объемом газа различной формы. Поэтому для оценки влияния объема на излучение вводят условную величину, называемую э к в и в а л е н т н о й т о л щ и н о й слоя излучающей среды l, под которой понимают радиус газовой полусферы, излучающей энергию на элемент поверхности, расположенной в центре основания и обладающей такой же степенью черноты, как и рассматриваемый объем газа.

В первом приближении можно принять

где V – объем, занимаемый газом;

F – площадь поверхности оболочки.

Концентрацию излучающих молекул в объеме всегда можно выразить парциальным давлением p_i. Экспериментально доказано, что парциальное давление и эквивалентная толщина слоя в одинаковой степени влияют на излучающую способность газов, т.е. излучение зависит от их произведения. Кроме того, излучательная способность газов пропорциональна температуре в степени меньше четвертой. Если для газов в формуле расчета излучательной способности сохранить закон четвертой степени температуры, то необходимо считать степень черноты газа функцией не только произведения p_i l, но и температуры, т.е.

, (8.13)

где .

При расчетах по формуле (8.13) величину ε _г определяют по графикам, построенным на основании экспериментальных исследований.

Если высокотемпературная смесь газов находится в оболочке, которая обладает свойствами серого тела, то часть теплового излучения газов поглощается этой оболочкой, а часть его отражается. Отраженная оболочкой энергия частично поглощается газом, а частично вновь попадает на поверхность оболочки. Результирующая плотность лучистого теплового потока между газом и оболочкой в этом случае может быть определена по выражению:

, (8.14)

где ε _г – степень черноты смеси газов;

ε _{ст. ЭФ} – эффективная степень черноты стенки.

С учетом многократного поглощения и отражения лучистой энергии стенкой значение ε _{ст. ЭФ} вычисляется по формуле:

ε _{ст. ЭФ} = 0,5(ε _ст + 1),

где ε _ст – “обычная” степень черноты стенки.

Степень черноты для различных материалов приведена в табл. 15 Приложения.

В теплотехнических расчетах чаще всего встречаются с излучением смеси газов, состоящих из молекул СО₂ и Н₂О. Для определения степени черноты такой смеси газов распространенным является уравнение

(8.15)

Последнее слагаемое в выражении (8.15) учитывает эффект взаимопоглащения энергии молекулами СО₂ и Н₂О.

Значение степени черноты газа СО₂ находят по экспериментальной зависимости , рис. 8.6,

где Т – температура смеси газов, К;

l – эквивалентная толщина слоя, м;

–парциальное давление углекислого газа, МПа.

Рис. 8.6

Поскольку на степень черноты водяных паров более значительное воздействие оказывает парциальное давление по сравнению с влиянием приведенной длины луча, то для вычисления используют соотношение:

,

где - “нулевая” степень черноты водяных паров, соответствующая

парциальному давлению ;

- коэффициент, учитывающий увеличение излучательной спо-

собности водяного пара из-за расширения полос излучения с ростом .

Для определения используют экспериментальные зависимости

и ,приведенные на рис. 8.7 и 8.8.

Рис. 8.7

Рассмотренная схема вычисления лучистого теплового потока от продуктов сгорания к стенке пригодна для газа с однородным составом и

одинаковой температурой поперек камеры сгорания.

Рис. 8.8

Тепловые потоки солнечной радиации. Самыми мощными источниками лучистой энергии являются Солнце и звезды. С поверхности Солнца ежесекундно излучается энергии 3,8·10²⁶ джоулей. Примерно половина этой энергии приходится на видимый спектр излучения, остальная часть - на инфракрасные и тепловые лучи.

Количество солнечной энергии, падающей на единицу нормальной к лучам поверхности, находящейся за пределами атмосферы, в единицу времени, называется с о л н е ч н о й п о с т о я н н о й. Солнечная постоянная зависит от расстояния до Солнца, и на верхний слой атмосферы приходится в среднем 1353 Вт/м². До Земли доходит значительно меньше энергии, так как она поглощается атмосферой, отражается облаками, преломляется в воздухе. Несмотря на это, лучистый поток от Солнца на поверхность Земли в безоблачный день внушителен. Так, например, солнечная батарея (фотоэлектрический генератор) площадью в 1 м² с коэффициентом полезного действия 15 % выдает в безоблачный день 0,25 кВт электроэнергии.

Важнейшими достоинствами солнечной энергии являются ее возобновляемость, безвредность для окружающей среды и отсутствие необходимости в средствах ее доставки. Ограниченное использование солнечной энергии на территории России связано с малой плотностью лучистого потока, его неравномерностью из-за смены дня и ночи и перемен погоды. Однако, решение проблем, связанных с концентрацией солнечной энергии и ее аккумуляцией, открывает широкую перспективу для этого вида неисчерпаемой энергии.

Возможности использования солнечной энергии достаточно подробно изложены в работе [2].

Г л а в а 9