Особенности излучения газов

Одно- и двухатомные газы теоретически прозрачны для теплового излучения. Поэтому, в частности, сухой и чистый воздух, состоящий, в основном, из двухатомных молекул азота и кислорода, также практически прозрачен для теплового излучения. Трехатомные и многоатомные газы этим свойством не обладают и поэтому их присутствие в газовой смеси делает ее полупрозрачной. Находясь при высокой температуре, такая среда может излучать значительное количество энергии, что и наблюдается в печах для нагрева заготовок, в топках котельных агрегатов, в проточной части газотурбинных двигателей (в камере сгорания, в межлопаточном пространстве турбины и сопле) и др. При этом учету подлежит наличие в продуктах сгорания углеводородного топлива углекислоты CO2 и водяного пара H2O, так как содержание SO2 и SO3 обычно бывает пренебрежимо малым.

Излучение чистых газов отличается от излучения твердых тел. Во-первых, поглощение и излучение лучистой энергии газами всегда имеет резко выраженный селективный (выборочный) характер: например, спектр поглощения углекислоты и водяного пара состоит из нескольких полос, в пределах которых эти газы испускают (и поглощают) электромагнитную энергию (рис. 8.7).

Второе отличие излучения газов от излучения твердых тел заключается в том, что у газов оно имеет объемный характер (у твердых тел излучение электромагнитной энергии осуществляется с поверхности), так как нужна чрезвычайно большая толщина газового слоя, чтобы излучаемая глубинными элементами энергия была бы всецело поглощена самим газом и совершенно не проникла бы в окружающую среду.

Законы излучения и поглощения газами имеют ряд существенных отличий от законов из­лу­чения и поглощения твердыми телами и жидкостями. Причина заключается в том, что газы из­лучают и поглощают энергию свободными или почти свободными атомами и молекулами, а жид­кости и твердые тела - боль­шим количеством сильно связанных между собой атомов.

Первая особенность, которую надо учитывать в теплофизических расчетах, за­ключается в том, что спектры излучения и поглощения газов имеют се­лек­тив­ный (избирательный) ха­рак­тер, т.е. газы излучают и поглощают энергию лишь в определенных интервалах длин волн, ко­то­рые называются полосами из­лу­че­ния и поглощения. Одноатомные и двухатомные газы поч­ти полностью про­пус­ка­ют тепловое излучение, поэтому поглощение в них обычно не учи­ты­ва­ют. По­лосы излучения и поглощения трех­атом­ных и многоатомных газов известны и при­во­дят­ся в справочниках. Например, углекислый газ имеет три ос­новные по­лосы: от 2.36 до 3.02 мкм, от 4.01 до 4.8 мкм и от 12.5 до 16.5 мкм; водяной пар име­ет полосы поглощения от 2.24 до 3.27 мкм, от 4.8 до 8.5 мкм и от 12 до 25 мкм.

Вторая особенность заключается в том, что, в отличие от твердых тел, из­лу­чение и по­гло­щение энергии в газах происходит не в поверхностном слое их обо­лочек, а во всем объеме; при этом по мере прохождения излучения от внут­рен­них областей к внешним часть энергии поглощается, из-за чего плот­ность мощ­нос­ти теплового излучения газа, строго говоря, ока­зы­ва­ется про­пор­ци­о­наль­ной не чет­вер­той, а более низкой степени аб­со­лютной тем­пе­ра­ту­ры. На­при­мер, для уг­ле­кислого газа эта степень » 3.5; для водяного пара » 3. Однако для прак­ти­чес­­ких расчетов часто по-прежнему используют формулы вида (8.25), (8.33), вво­дя в них эм­пи­ри­ческие поправочные коэффициенты.

Эти особенности серьезно затрудняют расчеты теплообмена с участием га­зов и делают их весьма приближенными. Для повышения точности надо ис­поль­зо­вать эмпирические фор­му­лы, справедливые при определенных условиях, и спе­ци­альные графики, приводимые в спра­воч­ной литературе.

Таблица. Усредненные значения коэффициентов по­гло­щения (степени чер­но­ты) не­ко­торых ма­териалов.

Для того чтобы рассчитать результирующий лучистый поток тепла от газового тела к поверхности охватывающего его твердого тела, необходимо знать не только степень черноты поверхности eW, но и степень черноты смеси газов eг.

Рис. 8.7

В настоящее время eг рекомендуют определять по формуле

, (8.37)

где и – степень черноты компонентов газовой смеси – излучателей электромагнитной энергии; b – поправка на величину парциального давления паров воды в газовой смеси; De – поправка на взаимное перекрывание спектров излучения CO2 и H2O. Все величины, входящие в правую часть формулы (3.14), установлены экспериментально.

Степень черноты каждого излучающего компонента зависит от количества его молекул в газовой смеси и от ее температуры Tг. Количество молекул–излучателей электромагнитной энергии, естественно, пропорционально парциальному давлению и в газовой смеси, а также так называемой толщине газового слоя l, определяемой по формуле

где V – объем газового тела; F – площадь охватывающей его поверхности твердого тела. Таким образом, искомые степени черноты излучающих компонентов представляют в виде зависимостей

(8.38)

(8.39)

Число аргументов для и в правой части зависимостей (8.38) и (8.39) уменьшают на один, полагая

(8.40)

(8.41)

Именно в таком виде и представляются опытные данные для и . Опытные данные для b приводятся в зависимости от для различных значений ×l, а величина De для различных температур газа представляется функцией от /(+) для разных значений давления газовой смеси.

Для расчета результирующего лучистого теплового потока от чистого газа к поверхности твердого тела с термодинамической температурой TW и степенью черноты поверхности eW для технических приложений приемлемо использовать формулу

. (8.42)

При проведении тепловых расчетов принято пользоваться также величиной коэффициента теплоотдачи излучения газов aл, который вводится в рассмотрение формулой

(8.43)

так что величина aл, естественно, вычисляется как

. (8.44)

Использование коэффициента теплоотдачи излучением aл целесообразно при расчете лучисто–конвективного теплообмена движущегося у поверхности твердого тела высокотемпературного газа, когда приходится рассчитывать перенос тепла от газа конвекцией и излучением по формуле

(8.45)

где – суммарный коэффициент теплоотдачи, a – коэффициент теплоотдачи механизмом конвекции.

В заключение отметим, что при наличии в газовой смеси сажевых частиц, золы, частиц горящего кокса тепловой расчет приходится вести с учетом того, что имеет место излучение электромагнитной энергии уже не чистым газом, а пламенем с учетом всей сложности этого явления.

Дата добавления: 2014-03-11; просмотров: 1615; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!