Оптическая толщина среды и режимы излучения

Оптическая толщина среды – безразмерный параметр.

,

где - глубина проникновения излучения или средняя длина пробега фотонов.

Следовательно, оптическая толщина – это отношение характерного линейного размера к длине проникновения излучения.

- фотонное число Кнудсена.

а) - оптически тонкая среда;

б) - оптически толстая среда;

в) - переходный режим излучения.

Если - среда не участвует в теплообмене излучением.

6.3.2 Излучение паров и газов

Среда, заполняющая пространство промышленных печей и котельных агрегатов, состоит из продуктов сгорания топлива, в которых взвешены частицы сажи, золы, угля.

Радиационные характеристики такой среды отличаются от радиационных характеристик твердых тел.

Излучение продуктов сгорания является селективным, полосчатым.

Основные полосы спектров поглощения и.

№ полосы
1	2,65	2,8	0,15	2,3	3,4	1,1
2	4,15	4,45	0,3	4,4	8,5	4,1
3	13	17	4,0	12	30	18

Для упрощения расчетов излучение газов принимают серым; площадь под кривой распределения интенсивности «серого» газа равна сумме площадей полос излучения реального газа.

Плотность потока собственного «серого» излучения иописывается формулами:

;

.

При прохождении тепловых лучей через газ их энергия вследствие поглощения уменьшается. Это уменьшение определяется количеством встречаемых на пути молекул. Последнее пропорционально длине пути луча и парциальному давлению .

Поэтому поглощательная способность газа для какой-либо длины волны является функцией произведенияи зависит от температуры газа, т.е.

.

Длина пути луча или толщина слоя луча зависит от формы тела, и в общем случае ее можно определить, как

.

Например, для топки и тогда:

.

Тела, поглощающие лучистую энергию, согласно закону Кирхгофа, обладают способностью ее излучать. Излучательная способность газа также является функцией и, т.е.

.

При экспериментальном определении энергии излучения газов оказалось, что излучательная способность газов не подчиняется закону Стефана-Больцмана. Излучение углекислого газа пропорционально , а излучение водяного пара - :

;

.

Согласно этим формулам излучение растет пропорционально и. Излучение медленно увеличивается с ростом толщины слоя и быстрее с температурой. Парциальное давление и толщина слоя оказывают большее влияние на излучение , чем на излучение . Поэтому при малых толщинах слоя преобладает влияние излучения , а при больших – излучения .

Эти формулы определяют количество энергии, излучаемой газом в пустоту, которую можно рассматривать как абсолютно черное пространство при Т = 0°К.

В этих формулах:

p – парциальное давление газа, бар;

- средняя толщина слоя газа, м;

Т – средняя температура газов, °К.

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

и ,

где r – объемная доля газа.

Однако применение различных законов затрудняет расчет. Поэтому для практических расчетов излучения газов рекомендуют использовать закон четвертых степеней – закон Стефана – Больцмана:

.

Этой формулой определяют количество энергии, излучаемой газом в пустоту. В действительности газ всегда огражден твердой серой оболочкой, температура которой выше абсолютного нуля и степень черноты , и имеющей собственное излучение.

Поэтому количество теплоты, воспринимаемое оболочкой (стенками канала) в результате теплообмена излучением между газом и стенкой, будет равно:

или

,

где - предельная степень черноты для бесконечно толстого слоя:

.

- степень черноты газа – отношение энергии излучения газа к количеству энергии излучения абсолютно черного тела при температуре газа.

Величины ,ивыбираются по таблицам и графикам.

- поправка, учитывающая, что полосы излучения и поглощения ичастично совпадают (т.е. учитывается взаимное поглощение энергии).

- коэффициент, зависящий от парциального давления водяных паров.

,

где - предельная степень черноты газа, взятая при средней температуре стенок канала.

- средняя температура газа.

- средняя температура стенок.

- коэффициент излучения абсолютно черного тела, .

Расчет теплообмена излучением между газом и стенками канала выполняется с помощью таблиц и графиков. Для этого необходимо знать температуру газа , парциальное давлениеp и длину пути луча .