Тема 16 Теплообмен в поглощающих и излучающих средах

16.1 Уравнение переноса энергии в поглощающей среде

Уравнение, определяющее изменение интенсивности луча за счет поглощения, излучения и рассеивания среды, называется уравнением переноса лучистой энергии.

Если на граничной поверхности интенсивность излучения внешнего источника сплошного спектра задана , то изменение интенсивности излучения по отдельным длинам волн при прохождении в направлении l через слой поглощающей среды толщиной dl уменьшаться пропорционально этой интенсивности и бесконечно малому пути луча dl:

,

где - спектральная поглощательная способность среды. Она характеризует относительное изменение интенсивности излучения на единицу длины луча.

Если const, то это уравнение можно записать:

,

где l – полная толщина слоя среды.

Тогда зависимость, выражающая ослабление интенсивности излучения в поглощающей среде

.

Это уравнение носит название закона Буггера.

Коэффициент поглощения среды в этом случае

.

В условиях термодинамического равновесия на основании закона Кирхгофа спектральный коэффициент поглощения вещества равен коэффициенту теплового излучения

.

Таким образом, для определения коэффициента поглощения и коэффициента теплового излучения необходимо располагать данными по спектрам поглощения и излучения. Поглощательная способность среды в общем случае зависит от физической природы среды, длины волны, температуры и давления.

В.А.Фабрикант применил закон Буггера к средам, усиливающим излучение. Эти среды применяются в лазерах.

16.2 Особенности излучения газов и паров

Различают светящиеся и несветящиеся газовые среды. Свечение газовой среды обусловлено наличием в ней раскаленных частиц сажи, угля. Такое светящееся пламя называется факелом. Излучение факела определяется излучением содержащихся в нем твердых частиц.

К несветящимся газовым средам относятся чистые газы и пары.

Одно – и двухатомные газы (гелий, водород, кислород) практически являются прозрачными (диатермичными) для излучения. Трехатомные газы обладают большой излучательной и поглощательной способностью (СО₂, Н₂О).

Излучение газов носит объемный характер, поэтому его поглощательная способность зависит от плотности и толщины газового слоя.

С увеличением плотности и толщины слоя газа его поглощательная способность увеличивается. Излучение газов носит селективный (избирательный) характер. Они поглощают и излучают только в определенных интервалах длин волн. Спектральные полосы поглощения Н₂О характеризуются большей шириной. Поэтому коэффициент поглощения и коэффициент теплового излучения водяного пара больше, чем СО₂.

Излучение медленно увеличивается с ростом толщины слоя и быстрее – с ростом температуры.

Парциальное давление р и толщина слоя l оказывают большее влияние на излучение Н₂О, чем на излучение СО₂.

Коэффициент излучения трехатомных газов определяется как функция температуры и давления.

Для определения результирующего теплового потока в уравнение Стефана-Больцмана подставляют _пр с учетом геометрических особенностей системы

.

Рассмотренный метод расчета теплообмена излучением относится к газовым средам, не содержащим взвешенных твердых частиц. В камерах сгорания топок и печей газовые потоки содержат твердые частицы несгоревшего топлива. Для таких случаев существуют другие специальные методики.