Излучение газов

Излучение газообразных тел резко отличается от излучения твердых тел. Одноатомные и двухатомные газы обладают ничтожно малой излучательной и поглощательной способностью. Эти газы считаются прозрачными для тепловых лучей. Газы трехатомные ( , и др.) и многоатомные уже обладают значительной излучательной, а, следовательно, и поглощательной способностью. При высокой температуре излучение трехатомных газов, образую­щихся при сгорании топлив, имеет большое значение для работы теплообменных устройств. Спектры излучения трехатомных газов, в отличие от излучения серых тел, имеют резко выраженный селек­тивный (избирательный) характер. Эти газы поглощают и излучают лучистую энергию только в определенных интервалах длин волн, расположенных в различных частях спектра. Для лучей с другими длинами волн эти газы прозрачны.

Когда луч встречает на своем пути слой газа, способного к поглощению луча с данной длиной волны, то этот луч частично поглощается, частично проходит через толщу газа и выходит с другой стороны слоя с интенсивностью, меньшей, чем при входе. Слой очень большой толщины может прак­тически поглотить луч целиком. Кроме того, поглощательная спо­собность газа зависит от его парциального давления или числа моле­кул и температуры .

Излучение и поглощение лучистой энергии в га­зах происходит по всему объему. Коэффициент поглощения газа является функцией

.

Толщина слоя газа s зависит от формы тела и определяется как средняя длина луча по справочным таблицам.

Давление продуктов сгорания обычно принимают равным 1 бар, поэтому парциальные давления трехатомных газов в смеси определяют следующим образом:

– давление углекислого газа численно равно его объёмной доле ;

– давление водяного пара численно равно его объёмной доле .

Средняя температура стенки подсчитывается по уравнению

, (6.25)

где – температура стенки канала у входа газа;

– температура стенки канала у выхода газа.

Средняя температура газа определяется по формуле

, (6.26)

где – температура газа у входа в канал;

– температура газа у выхода из канала.

Знак «плюс» в формуле (6.26) берется в случае охлаждения, а «минус» – в слу­чае нагревания газа в канале.

Расчет теплообмена излучением между газом и стенками канала очень сложен и выполняется с помощью целого ряда графиков и таблиц из справочной литературы, по которым определяются излучательные способности углекислого газа и водяного пара . Однако, можно использовать для расчётов более простой и вполне надёжный метод Шака, который предлагает следующие уравнения, определяющие излучение газов в среду с температурой 0 К:

, Вт/м ; (6.27)

, Вт/м , (6.28)

где p – парциальное давление газа, бар;

s – средняя толщина слоя газа, м;

T – средняя температура газов и стенки, К.

Следует отметить, что излучательная способность газов не подчиняется закону Стефана – Больцмана: излучение водяного пара пропорционально , а излучение угле­кислого газа – .

Таким образом, количество теплоты, воспринятое стенками ка­нала в результате теплообмена излучением между газом и стенкой, находим из уравнения

, Вт/м , (6.29)

где – степень черноты лучевоспринимающих поверхностей:

; (6.30)

– количество тепла, излучаемое углекислым газом и во­дяным паром при

средней температуре газа;

– количество теплоты, поглощаемое углекислым газом и водяным паром

при средней температуре стенок канала.

Полученный суммарный тепловой поток излучением ис­пользуется для определения коэффициента теплоотдачи излуче­нием

(6.31)

Многие авторы для практических расчетов лучеиспускания газов рекомендуют пользоваться законом четвертых степеней, или зако­ном Стефана –Больцмана.

Расчетное уравнение лучистого теплообмена между газом и стен­ками канала в этом случае имеет следующий вид:

, (6.32)

где – эффективная степень черноты стенок канала, учитывающая излучение

газа:

, (6.33)

– коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный

5,67 ;

– отношение количества энергии излучения газа к количеству энергии

излучения абсолютно черного тела и отнесенное к 1 поверхности:

. (6.34)

– поправочный коэффициент, учитывающий более сильное влияние

парциального давле­ния по сравнению с влиянием толщины слоя газа;

– поправка, учитывающая взаимное поглоще­ние лучистой энергии газами;

для дымовых газов эта поправка составляет 2-4%, по­этому ею обычно

пренебрегают;

– средняя температура газа, К;

– средняя температура стенок канала, К;

– поглощательная способность газа при сред­ней температуре стенок

канала:

. (6.35)

Величины , , , и определяются по справочным графикам.

В дальнейшем величина используется для определения коэффициента теплоотдачи излучением в формуле (6.31).