ЛУЧЕИСПУСКАНИЕ ГАЗОВ

Газы также обладают способностью испускать и поглощать лучистую энергию, но для различных газов эта способность различна. Одно- и двухатомные газы (N₂, O₂, CO, H₂) для тепловых лучей практически прозрачны – диатермичны. Многоатомные газы (CO₂, H₂O, SO₂, NH₃) имеют значительные излучательную и поглощательную способности, с чем необходимо считаться на практике.

В сравнении с твёрдыми телами излучение и поглощение газов имеют свои особенности.

1. Излучение и поглощение газов имеет селективный (избирательный) характер, т. е. газы излучают и поглощают энергию лишь в определённых интервалах длин волн Δλ (частот Δν), расположенных в различных частях спектра.

2. В газах излучение и поглощение энергии происходит в объёме. Энергия тепловых лучей при прохождении через газ вследствие поглощения уменьшается. Это поглощение определяется количеством встречающихся на пути луча молекул.

Поглощательную способность газа для единичного интервала длин волн записывают в виде

Здесь l – длина пути луча; p – парциальное давление газа.

Обычно излучающий газ находится в некотором объёме, ограниченном твёрдыми непрозрачными стенками. Если температуры газа T_г и стенки T_с одинаковы, то количество энергии, излучаемое телом, равно количеству поглощённой энергии. На основе закон Кирхгофа тело излучает энергию лишь тех длин волн, на которых оно поглощает, значит излучательная способность газа

Интегральная плотность излучения полосчатого спектра газов определится суммированием по полосам излучения

Для углекислого газа CO₂ и водяного пара H₂O, которые в основном присутствуют в продуктах сгорания в топочных устройствах экспериментально было получено

Применение различных законов излучения для различных газов в излучающей смеси сильно усложняет расчёт. По этой причине в основу практических расчётов лучеиспускания газов положен закон Стефана – Больцмана с введением поправок на отклонение от него и на учёт перекрытия полс излучения и поглощения для различных компонентов смеси. Дальнейшее описание лучистого теплообмена излучающей смеси газов с твёрдой поверхностью даётся в рамках описания по аналогии с законом Стефана – Больцмана.

Опытные данные по излучению газов обычно обрабатываются в виде зависимостей

Здесь есть относительная излучательная способность или степень черноты газа, т. е.

где E₀ есть плотность лучистого потока абсолютно чёрного тела при температуре газа T_г.

В справочной литературе степени черноты чистых газов обычно даются в виде графических зависимостей (см. рис. 14).

Для водяного пара влияние парциального давления сильнее, чем длина пути луча l, поэтому степень черноты , найденное из графика (рис. 6), умножают на поправочный коэффициент β, зависящий от парциального давления (см. рис.15).

Если CO₂ и H₂O присутствуют в смеси одновременно, что имеет место практически всегда на практике, то степень черноты такой смеси определяется с учётом перекрывающихся полос излучения и поглощения для компонентов, т. е.

где численное значение интерференцион-ного члена также даётся в графи-ческом представлении (рис. 16). Для обычных дымовых газов . Эту поправку учитывают при точных расчётах и при больших значениях произведения p_ol, где p_o – общее давление газа.

Таким образом, плотность лучистого потока излучающего газа принимает вид

Эта формула даёт плотность излучения газа в пустоту, т. е. в пространство с температурой 0^оК. Обычно излучающий газ окружён твёрдой оболочкой с температурой T_с > 0K и со степенью черноты ε_с < 1. Так как в общем случае и газ поглощает (и излучает) селективно, то очевидно, что закон Кирхгофа не выполняется, т. е. . Тогда

где

Все величины здесь берутся из таблиц по температуре стенки.

В технических расчётах обычно полагают

Формула справедлива для лучистого теплообмена между газовой полусферой и центральным элементом её основания, т. е. когда длина пути луча l в любом направлении одинакова. В газовых объёмах другой формы, когда длина пути лучей в различных направлениях различна, расчёт ведут по эквивалентному излучению газовой полусферы. Радиус такой полусферы, равный средней длине пути луча l, определяется по формуле

Все эти выводы даны в предположении, что температура газа по всему объёму постоянна. В противном случае в качестве температуры объёма газа принимается среднеинтегральная по объёму. В технических расчётах в качестве приведённой степени черноты газового объёма и твёрдой поверхности принимается выражение

таким образом, что