Головна |
Одно- і двоатомні гази теоретично прозорі для теплового випромінювання. Тому, зокрема, сухий і чисте повітря, що складається, в основному, з двохатомних молекул азоту і кисню, також практично прозорий для теплового випромінювання. Трьохатомні і багатоатомні гази цієї властивості не мають і тому їх присутність в газовій суміші робить її напівпрозорої. Перебуваючи при високій температурі, таке середовище може випромінювати значну кількість енергії, що і спостерігається в печах для нагріву заготовок, в топках котельних агрегатів, в проточної частини газотурбінних двигунів (в камері згоряння, в межлопаточном просторі турбіни і соплі) і ін. При цьому обліку підлягає наявність в продуктах згоряння вуглеводневого палива вуглекислоти CO2 і водяної пари H2O, так як вміст SO2 і SO3 зазвичай буває дуже незначним.
Випромінювання чистих газів відрізняється від випромінювання твердих тіл. По-перше, поглинання і випромінювання променевої енергії газами завжди має різко виражений селективний (вибірковий) характер: наприклад, спектр поглинання вуглекислоти і водяної пари складається з декількох смуг, в межах яких ці гази випускають (і поглинають) електромагнітну енергію (рис. 8.7) .
Друга відмінність випромінювання газів від випромінювання твердих тіл полягає в тому, що у газів воно має об'ємний характер (у твердих тіл випромінювання електромагнітної енергії здійснюється з поверхні), так як потрібна надзвичайно велика товщина газового шару, щоб яку випромінює глибинними елементами енергія була б цілком поглинена самим газом і зовсім не проникла б в навколишнє середовище.
Закони випромінювання і поглинання газами мають ряд суттєвих відмінностей від законів випромінювання і поглинання твердими тілами і рідинами. Причина полягає в тому, що гази випромінюють і поглинають енергію вільними або майже вільними атомами і молекулами, а рідини і тверді тіла - великою кількістю сильно пов'язаних між собою атомів.
Перша особливість, яку треба враховувати в теплофізичних розрахунках, полягає в тому, що спектри випромінювання і поглинання газів мають селективний (виборчий) характер, тобто гази випромінюють і поглинають енергію лише в певних інтервалах довжин хвиль, які називаються смугами випромінювання і поглинання. Одноатомні і двоатомні гази майже повністю пропускають теплове випромінювання, тому поглинання в них зазвичай не враховують. Смуги випромінювання і поглинання трьохатомних і багатоатомних газів відомі і наводяться в довідниках. Наприклад, вуглекислий газ має три основні смуги: від 2.36 до 3.02 мкм, від 4.01 до 4.8 мкм і від 12.5 до 16.5 мкм; водяна пара має смуги поглинання від 2.24 до 3.27 мкм, від 4.8 до 8.5 мкм і від 12 до 25 мкм.
Друга особливість полягає в тому, що, на відміну від твердих тіл, випромінювання і поглинання енергії в газах відбувається не в поверхневому шарі їх оболонок, а в усьому обсязі; при цьому в міру проходження випромінювання від внутрішніх областей до зовнішніх частина енергії поглинається, через що щільність потужності теплового випромінювання газу, строго кажучи, виявляється пропорційною не четвертою, а більш низького ступеня абсолютної температури. Наприклад, для вуглекислого газу ця ступінь »3.5; для водяної пари »3. Однак для практичних розрахунків часто як і раніше використовують формули виду (8.25), (8.33), вводячи в них емпіричні поправочні коефіцієнти.
Ці особливості серйозно ускладнюють розрахунки теплообміну за участю газів і роблять їх вельми наближеними. Для підвищення точності треба використовувати емпіричні формули, справедливі при певних умовах, і спеціальні графіки, наведені в довідковій літературі.
Таблиця. Усереднені значення коефіцієнтів поглинання (ступеня чорноти) деяких матеріалів.
матеріал | Коеф. поглинання A |
Платинова чернь | 0.99 |
Нафтова сажа при 100 ... 200 ° С | 0.96 |
Вода при 0 ... 100 оС | 0.95 |
Скло при 20 ... 100 оС | 0.91 |
Папір при 20 ... 100 оС | 0.90 |
Червона цегла при 25 ... 300 оС | 0.90 |
Олійні фарби різних кольорів при 20 ... 100 оС | 0.86 |
Дерево при 20 ... 70 ° С | 0.85 |
Пісок сухий при 20 оС | 0.46 |
Полірована нержавіюча сталь при 100 оС | 0.074 |
Полірований алюміній при 100 оС | 0.031 |
Поліроване золото при 20 оС | 0.025 |
Полірована мідь при 100 оС | 0.020 |
Поліроване срібло при 20 оС | 0.015 |
Для того щоб розрахувати результуючий променистий потік тепла від газового тіла до поверхні охоплює його твердого тіла, необхідно знати не тільки ступінь чорноти поверхні eW, але і ступінь чорноти суміші газів eг.
Мал. 8.7
В даний час eг рекомендують визначати за формулою
, (8.37)
де и - Ступінь чорноти компонентів газової суміші - випромінювачів електромагнітної енергії; b - поправка на величину парціального тиску парів води в газовій суміші; De - поправка на взаємне перекривання спектрів випромінювання CO2 і H2O. Всі величини, що входять в праву частину формули (3.14), встановлені експериментально.
Ступінь чорноти кожного випромінює компонента залежить від кількості його молекул в газовій суміші і від її температури Tг. Кількість молекул-випромінювачів електромагнітної енергії, природно, пропорційно парціальному тиску и в газовій суміші, а також так званої товщині газового шару l, яка визначається за формулою
де V - об'єм газового тіла; F - площа охоплює його поверхні твердого тіла. Таким чином, шукані ступеня чорноти випромінюючих компонентів представляють у вигляді залежностей
(8.38)
(8.39)
Число аргументів для и в правій частині залежностей (8.38) і (8.39) зменшують на один, вважаючи
(8.40)
(8.41)
Саме в такому вигляді і представляються досвідчені дані для и . Досвідчені дані для b наводяться в залежності від для різних значень ? l, а величина De для різних температур газу представляється функцією від / ( + ) Для різних значень тиску газової суміші.
Для розрахунку результуючого променевого теплового потоку від чистого газу до поверхні твердого тіла з термодинамічною температурою TW і ступенем чорноти поверхні eW для технічних додатків прийнятно використовувати формулу
. (8.42)
При проведенні теплових розрахунків прийнято користуватися також величиною коефіцієнта тепловіддачі випромінювання газів AЛ, який вводиться в розгляд формулою
(8.43)
так що величина AЛ, природно, обчислюється як
. (8.44)
Використання коефіцієнта тепловіддачі випромінюванням AЛ доцільно при розрахунку променисто-конвективного теплообміну рухається у поверхні твердого тіла високотемпературного газу, коли доводиться розраховувати перенесення тепла від газу конвекцією і випромінюванням за формулою
(8.45)
де - Сумарний коефіцієнт тепловіддачі, a - коефіцієнт тепловіддачі механізмом конвекції.
На закінчення відзначимо, що при наявності в газовій суміші часток саж, золи, часток палаючого коксу теплової розрахунок доводиться вести з урахуванням того, що має місце випромінювання електромагнітної енергії вже не чистим газом, а полум'ям з урахуванням всієї складності цього явища.
Конвективная тепловіддача при вільному русі текучого середовища | Конвективная тепловіддача при вимушеному русі текучого середовища в трубах і каналах | Конвективная тепловіддача при вимушеному зовнішньому обтіканні тіл | Алгоритм розрахунку коефіцієнта теплоотдачіпо критеріальним рівнянням | Тема 7. теплообмін при фазових перетвореннях | Тепловіддача при конденсації пари | Тепловіддача при кипінні рідин | Тема 8. Теплообмін випромінюванням | Теплове випромінювання твердих тіл | Основні закони випромінювання абсолютно чорного тіла (АЧТ) |