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.

11.8. Расчёты при лучистом теплообмене

Применяемые в технике материалы обычно являются непрозрачными для тепловых лучей, следовательно, такие материалы будут излучать в окружающее пространство собственную и отражённую энергию.

Закон Стефана-Больцмана (ф. 11.5) показывает, что даже при небольшом росте температуры Т энергия излучения тела Е сильно возрастает.

Так, например, при возрастании температуры газа с 1000 до 3000 К, т.е. в три раза, излучательная способность возрастает в 3⁴, т.е. в 81 раз. Поэтому при расчёте и эксплуатации элементов тепловых двигателей обязательно надо учитывать тепловые потоки, возникающие за счёт излучения газов (продуктов сгорания) и нагретых стенок.

В качестве примера рассмотрим случай теплообмена между двумя плоскими параллельными стенками, имеющими температуры Т ₁ и Т ₂ (Т ₁ > Т ₂).

На основании приведённых ранее законов излучения, поглощения и отражения можно получить следующую формулу для определения количества тепла, переданного лучистым теплообменом через один квадратный метр в единицу времени q _л от более нагретой к менее нагретой стенке:

(11.15)

Здесь ε _пр – приведенная степень черноты системы тел, определяемая по формуле

где ε ₁ и ε ₂ – степень черноты первого и второго тела;

С ₀ – коэффициент излучения абсолютно чёрного тела.

В случае теплообмена между газом, имеющим температуру Т _г, и стенкой количество переданного газом тепла стенке определяется по формуле

, (11.16)

где = 0,5 ∙ (ε _ст + 1) – эффективная степень черноты стенки;

ε _г – степень черноты газа при температуре стенки;

ε _ст – степень черноты стенки.