 |
Раздел 2. Теплообмен излучением в системах с излучающей и поглощающей средой
|
|
|
|
ЛЕКЦИЯ 5
Раздел 2. Теплообмен излучением в системах с излучающей и поглощающей средой
Понятие излучающей и поглощающей среды
Излучение газов, в отличие от излучения твердых тел, жидких металлических и неметаллических расплавов обладает рядом особенностей. В области спектра теплового излучения к излучающим и поглощающим газам относятся трех- и более атомные газы и их смеси – CO2, H2O, SO2, CH4, CnHm. Такие газы, будучи нагретыми до высоких температур, обладают собственным излучением. С другой стороны, если излучение от какого- либо источника, в том числе и от самого газа, проходит через слой газа, то часть энергии проходящего излучения поглощается газом. Спектр излучения газов отличается выраженной селективностью или избирательностью. При температурах до 3000 0C спектр излучения газов лежит в основном в инфракрасной области; можно выделить следующие основные полосы излучения газов, которым соответствуют длины волн, мкм.
Основные полосы излучения промышленных газов
Т а б л и ц а 11. 1
Длины волн полос излучения основных продуктов сгорания
| Газ | Номер полосы спектра излучения | ||||
| CO2 | 2, 4... 3, 0 | 4, 0... 4, 8 | __ | __ | 12, 5... 16, 5 |
| H2O | 1, 50... 1, 75 | 2, 5... 3, 0 | 4, 8... 8, 0 | 8, 0... 9, 5 | 12, 5... 25, 0 |
| SO2 | 3, 8... 4, 0 | 4, 1... 4, 6 | 6, 9... 7, 6 | 8, 0... 9, 5 | 15, 8... 23, 2 |
Как следует из приведенных данных, полосы спектра для различных газов, во-первых, или полностью совпадают или частично перекрывают друг друга. Во-вторых, между полосами существуют окна прозрачности, т. е. длины волн, на которых газы и не излучают, и не поглощают энергию. Конфигурация полос и их ширина зависит от температуры и давления газа. При одних и тех же условиях углекислый газ имеет более узкие полосы, чем водяной пар, поэтому водяной пар обладает большой излучательной и поглощательной способностью. С увеличением температуры ширина полос увеличивается, а поглощательная способность снижается, так как уменьшается плотность газа и, следовательно, уменьшается число поглощающих центров. Для CO2 в интервале 300…8000C эффект расширения полос преобладает над эффектом снижения поглощательной способности, что приводит к повышению излучательной способности этого газа в этом интервале температур.
|
|
|
Более детальный анализ полос спектра показывает, что они имеют сложную структуру и состоят как из отдельных линий, так и системы линий. Положение полос на шкале длин волн излучения и их структура соответствует определенным видам колебаний, изменяющим внутреннее энергетическое состояние молекул газа – электронным, колебательным, колебательно-вращательным и вращательным. Соотношение указанных типов колебаний индивидуально для каждого газа, поэтому, каждый газ обладает присущим ему набором спектральных полос.
Учет формы газового объема и его размеров
Вторая особенность излучения газов заключается в том, что газы излучают и поглощают энергию всем объемом. Связано это с тем, что плотность упаковки излучательных и поглощательных центров в газовом объеме на несколько порядков ниже, чем в твердом теле. Например, плотность воздуха при температуре 20˚ C равна примерно 1, 29 кг/м3, в то время как твердой стали 7800 кг/м3. Чем выше плотность и толщина слоя газа, тем выше излучательная и поглощательная способность газа. Объемный характер излучения газа приводит к тому, что для количественной оценки интенсивности излучения необходимо учитывать форму и размеры излучающего газового объема.
Эффективная длина пути луча и ее расчет для различных объемов газов
|
|
|
В качестве геометрической характеристики используется понятие эффективной толщины излучающего слоя или эффективной длины пути луча ℓ эф, определяемой по формуле А. С. Невского:
 ,
| (11. 1) |
где V–объем газа, F–поверхность объема газа, m–коэффициент, учитывающий форму газового объема. Обычно при расчетах принимают m = 0, 9. Для практических расчетов ℓ эф можно использовать следующие соотношения:
| Сфера диаметром d . . . . . . . . . . . . 0, 6d | |
| Куб с ребром а . . . . . . . . . . . . 0, 6a | |
| Длинный цилиндр диаметром d . . . . . . . . . . . . 0, 9d |
Цилиндр высотой h=d при излучении:
| на боковую поверхность . . . . . . . . . . . 0, 6d | |
| на центр основания . . . . . . . . . . . 0, 77d | |
| слой газа толщиной h между двумя бесконечными пластинами. . . . . . . . . . . 1, 8h | |
длинный канал сечением а× b . . . . . . . . . . . 
|
Физический смысл введения эффективной длины пути луча заключается в том, что реальный объем излучающего газа заменяется условным объемом в форме сферы с таким радиусом, при котором степень черноты реального объема равна степени черноты сферы.
Излучение газов, так же как и смесей различных газов, в отличие от твердых тел, не подчиняется закону Стефана – Больцмана. Например, плотность потока собственного излучения CO2 и H2O определяется экспериментальными зависимостями:
| (11. 2) |
 ,
| (11. 3) |
где p – парциальное давление газа в смеси. Как видно из формул (11. 2) и (11. 3), на излучение CO2 в большей степени сказывается температура, чем толщина слоя. При малых толщинах слоя преобладает излучение CO2, при больших – излучение H2O. Для смеси этих газов степень черноты меньше, чем сумма степеней черноты отдельных газов вследствие частичного совпадения полос спектра, что при расчетах учитывается специальной поправкой.
В промышленных установках часто имеет место излучение не чистых, а запыленных газов, в которых содержатся твердые частицы золы, угольной пыли, углеводородных соединений и т. д. В этом случае ослабление энергии при прохождении через газовый объем определяется не только поглощением, но и рассеянием энергии. Рассеяние необходимо учитывать, если размер частиц примерно равен длине волны излучения. В дальнейшем будем рассматривать закономерности излучения и поглощения чистых незапыленных газов.
|
|
|
Излучение газов является селективным, поэтому рассмотрим спектральные радиационные характеристики.
|
|
|
