ОСОБЕННОСТИ ИЗЛУЧЕНИЯ ГАЗОВ И ПЛАМЕНИ

Особенности излучения газов. Излучение (и поглощение) одноатомных и большинства двухатомных газов становится заметным только при очень высоких температурах (свыше 3000…3500 К). Поэтому при более низких температурах одно- и двухатомные газы даже в толстых слоях практически прозрачны.

Трехатомные и многоатомные газы излучают и поглощают электромагнитное излучение уже при сравнительно низких температурах в связи с возбуждением при этом колебательных и вращательных степеней свободы их молекул. Для технических расчетов важно излучение газов, входящих в состав продуктов сгорания углеводородных топлив и прежде всего СО₂ и Н₂О. Основные полосы излучения этих газов лежат в диапазоне длин волн от 2,3 мкм до 30 мкм, т. е. находятся в инфракрасной области спектра. И поэтому повышение, например, концентрации СО₂ в атмосфере может привести к "парниковому эффекту" в результате того, что слой СО₂ пропускает основную часть солнечного излучения, но задерживает (поглощает) инфракрасное излучение от земной поверхности.

Газы излучают и поглощают лучистую энергию во всем объ­еме, а не только в поверхностном слое, как это присуще большинству твердых тел. Поэтому степень черноты газа зависит не только от его природы и температуры, но и от давления и толщины излучающего слоя (длины пути луча). Чем больше толщина излучающе­го (или поглощающего) слоя и давление газа, тем большее число молекул участвует в лучистом теплообмене и, следовательно, тем больше степень черноты (или коэффициент поглощения) данного слоя газа. Таким обра­зом, степень черноты данного газа зависит от его температуры, давления и длины пути луча l:

причем аргумент Т учитывает здесь влияние температуры не только на генерацию теплового излучения, но также и на концентрацию молекул газа при данном давлении. Если данный газ находится в смеси с другими газами, то суммарная величина определяется их парциальными давлениями.

Рис. 3.11

Длина пути луча в общем случае может быть различной в разных направлениях, и тогда под l принято понимать некоторую среднюю (эффективную) величину, равную l = 3,6 V / F , где V - объем пространства, заполненного газом, а F - площадь его поверхности.

Однако необходимо учитывать, что при бесконечном увеличении толщины излучающего объема газа (или его давления) плотность потока излучения и, следовательно, степень черноты газа растут лишь до определенного предела. Дело в том, что лу­чистая энергия, испускаемая в некотором слое газа, частично поглощается соседними слоями. В результате такого ослабле­ния к наружной границе объема газа из внутренних его слоев проникает лишь часть излучения. Поэтому при увеличении р и l степень черноты газа стремится к некоторому предельному зна­чению e_¥. Часто оба фактора (р и l) объединяют в один пара­метр рl, характеризующий совместное влияние давления и тол­щины слоя (длины луча).

Значения предельной степени черноты (при рl ® ¥) для СО₂ и Н₂О в зависимости от температуры приведены на рис. 3.11. При конечном значении параметра рl степень черноты этих газов может быть определена (приближенно) по следующей эмпирической зависимости:

,

где pl выражено в Па×м, причем для СО₂ а = 1,35×10^-3 и m = 3,6, а для Н₂О

а = 2,1×10^-5 и m = 4,5.

Степень черноты газовой смеси, в которой содержатся и двуокись угле­рода, и водяной пар, равна: ,

где последний член учитывает взаимное поглощение излучения молекулами СО₂ и Н₂О.

Интегральная плотность потока излучения газа равна: .

Если рассматривается теплообмен излучением между газом и стенкой окружающей его оболочки, то при определении плотности теплового потока q необходимо учесть также излуче­ние и поглощение стенки. Расчетную формулу для этого случая можно представить в виде

,

где - приведенная степень черноты системы газ - стенка, которую в первом приближении можно принять равной .

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

Большинство углеводородных топлив, в том числе авиацион­ных, создают при горении светящееся пламя с желтой окраской. Это свя­зано главным образом с образованием большого количества мельчайших конденсированных частичек тяжелых углеводородов и углерода, которые излучают практически как твердые тела и, следовательно, являются источником сильного излучения. Спектр излучения такого пламени является сплошным, но излучательная способность, а следовательно, и степень чер­ноты его зависят от толщины из­лучающего слоя и давления так же, как и при чисто газовом излучении.

Размеры и концентрация указанных частиц в пламени зависят от сорта топлива, соотношения количеств горючего и окислителя, организации процесса смесеобразования, конструктивной схемы камеры сгорания, её размеров и ряда других факторов. Кроме того, концентрация этих частиц меняется вдоль камеры сго­рания. Непосредственно в зоне горения она максимальна, по ме­ре удаления от этой зоны уменьшается и в конечных продуктах сгорания может даже стать рав­ной нулю.

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

,

где - температура и степень черноты пламени.

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

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

Г Л А В А 4