11.8 Излучение газов

Излучение газообразных тел резко отличается от излучения твердых тел.

Одноатомные и двухатомные газы обладают ничтожной излучательной и поглощательной способностью – они прозрачны для тепловых лучей.

Трехатомные (СО₂ и Н₂О и др.) и многоатомные газы уже обладают значительной излучательной, а, следовательно, поглощательной способностью.

Излучение трех- и многоатомных газов, образующихся при сгорании топлив, имеет большое значение для работы топливосжигающего оборудования.

Спектры излучения этих газов имеют резко выраженный селективный (избирательный) характер. Они излучают и поглощают 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 излучения меньшей, чем при входе. Слой газа очень большой толщины может практически поглотить этот луч целиком.

Кроме того, поглощательная способность газа зависит от его температуры и числа молекул, т.е. парциального давления этого газа.

Излучение и поглощение в газах происходит по всему объему. Коэффициент поглощения газа может быть определен из зависимости:

А_λ = f (Т_г, р, s),

Толщина слоя газа s зависит от формы тела, в котором он находится и может быть определена по табличным значениям (например, табл. 29-2, стр. 436).

Давление продуктов сгорания чаще всего принимают равным 1 бар, поэтому парциальное давление трехатомных газов в смеси определяют по уравнениям: , ,

r – объемная доля газа.

Средняя температура стенки канала, в котором находится газ, рассчитывается по уравнению:

(11.51)

где Т'_ст – температура стенки канала у входа газа;

Т"_ст – температура стенки канала у выхода газа.

Средняя температура газа определяется по формуле:

, (11.52)

где Т'_г – температура газа у входа в канал;

Т"_г – температура газа у выхода из канала.

В формуле (11.52) знак «+» берется в случае охлаждения газа, а знак «-» - в случае нагревании газа в канале.

Расчет теплообмена излучением между газом и стенками канала очень сложен и выполняется с помощью графиков и таблиц.

Более простой и надежный метод разработан Шаком, который предлагает следующие уравнения, определяющие излучение газов в среду с температурой 0^о К.

(11.53)

(11.54)

В этих формулах р – парциальное давление газа, бар; s – средняя толщина слоя газа, м; Т - средняя температура газов, К.

Анализ уравнений (11.53) и (11.54) показывает, что излучательная способность газов не подчиняется закону Стефана-Больцмана. Так излучательная способность водяных паров пропорциональна Т³, а излучательная способность углекислого газа – Т^3,5.

По этим же формулам вычисляется и теплота, поглощаемая газами от излучения стенок канала, но вместо средней температуры газов в них подставляется средняя температура стенок канала.

Количество теплоты, воспринятое стенками канала в результате теплообмена излучением между газом и стенкой, определяется уравнением:

q_изл = ε'_ст· (q_г – q_ст), (11.55)

где ε'_ст – эффективная степень черноты стенок канала;

q_г – количество теплоты, излучаемое углекислым газом и водяным паром при средней температуре газов;

q_ст – количество теплоты, поглощаемое углекислым газом и водяным паром при средней температуре стенок канала;

ε'_ст = . (11.56)

Коэффициент теплоотдачи излучением:

(11.57)

Некоторые авторы для практических расчетов излучения газов рекомендуют пользоваться законом четвертых степеней, законом Стефана-Больцмана:

(11.58)

где ε'_ст – эффективная степень черноты стенок канала;

С_s = 5,77 Вт/м²·К⁴ – коэффициент излучения АЧТ.

ε_г = q_г / q_s – отношение количества энергии излучения газа к количеству энергии излучения АЧТ и отнесенное к 1 м² поверхности.

ε_г = ε_СО2 + β· ε_Н2О – Δ ε_г. (11.59)

Величины ε_СО2, β, ε_Н2О – определяются по графикам (стр. 438 - 439).

Δ ε_г – поправка, учитывающая взаимное поглощение энергии излучения газами.

Для дымовых газов Δ ε_г = 2 - 4 %.

β - поправочный коэффициент, учитывающий более сильное влияние парциального давления по сравнению с влиянием толщины слоя газа.

ε'_г = ε'_СО2 + β· ε'_Н2О – поглощательная способность газа при средней температуре стенок канала, определяется по тем же графикам.

Эффективная толщина слоя газа s принимается по табл. 29-2, стр.436.