6.5. Экраны

В различных областях техники довольно часто встречаются случаи, когда требуется уменьшить передачу теплоты излучением. Например, нужно оградить рабочих от действия тепловых лучей в цехах, где имеются поверхности с высокими температурами. В других случаях, необходимо оградить деревянные части зданий от лучистой энергии в целях предотвращения воспламенения; следует защищать от лучистой энергии, например, термометры, так как в противном случае они дают неверные показания.

Поэтому всегда, когда необ­ходимо, уменьшить передачу теплоты излучением, прибегают к ус­тановке защитных экранов. Обычно экран представляет собой тонкий метал­лический лист с большой отражательной способностью. Температу­ры обеих поверхностей экрана можно считать одинаковыми.

Рассмотрим действие экрана между двумя плоскими безгранич­ными параллельными поверхностями, причем передачей теплоты конвекцией будем пренебрегать. Поверхности стенок и экрана счи­таем одинаковыми. Температуры стенок иподдерживаются постоянными, причем. Допускаем, что коэффициенты луче­испускания стенок и экрана равны между собой. Тогда приведенные коэффициенты излучения между поверхностями без экрана, между первой поверхностью и экраном, экраном и второй поверхностью равны между собой.

Используя формулу (6.15), можно показать, что установ­ка одного экрана при принятых условиях уменьшает теплоотдачу излучением в два раза:

, Вт/м, (6.24)

где – тепловой поток, передаваемый от первой поверхности ко второй

(без экрана);

–тепловой поток при установке экрана.

Можно доказать, что установка двух экранов уменьшает тепло­отдачу втрое, установка трех экранов уменьшает теплоотдачу вчет­веро и т. д.

6.6. Излучение газов

Излучение газообразных тел резко отличается от излучения твердых тел. Одноатомные и двухатомные газы обладают ничтожно малой излучательной и поглощательной способностью. Эти газы считаются прозрачными для тепловых лучей. Газы трехатомные (,и др.) и многоатомные уже обладают значительной излучательной, а, следовательно, и поглощательной способностью. При высокой температуре излучение трехатомных газов, образую­щихся при сгорании топлив, имеет большое значение для работы теплообменных устройств. Спектры излучения трехатомных газов, в отличие от излучения серых тел, имеют резко выраженный селек­тивный (избирательный) характер. Эти газы поглощают и излучают лучистую 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, меньшей, чем при входе. Слой очень большой толщины может прак­тически поглотить луч целиком. Кроме того, поглощательная спо­собность газа зависит от его парциального давления или числа моле­кул и температуры.

Излучение и поглощение лучистой энергии в га­зах происходит по всему объему. Коэффициент поглощения газа является функцией

.

Толщина слоя газа s зависит от формы тела и определяется как средняя длина луча по справочным таблицам.

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

– давление углекислого газа численно равно его объёмной доле;

– давление водяного пара численно равно его объёмной доле.

Средняя температура стенки подсчитывается по уравнению

, (6.25)

где – температура стенки канала у входа газа;

–температура стенки канала у выхода газа.

Средняя температура газа определяется по формуле

, (6.26)

где – температура газа у входа в канал;

–температура газа у выхода из канала.

Знак «плюс» в формуле (6.26) берется в случае охлаждения, а «минус» – в слу­чае нагревания газа в канале.

Расчет теплообмена излучением между газом и стенками канала очень сложен и выполняется с помощью целого ряда графиков и таблиц из справочной литературы, по которым определяются излучательные способности углекислого газа и водяного пара. Однако, можно использовать для расчётов более простой и вполне надёжный метод Шака, который предлагает следующие уравнения, определяющие излучение газов в среду с температурой 0К:

, Вт/м; (6.27)

, Вт/м, (6.28)

где p – парциальное давление газа, бар;

s – средняя толщина слоя газа, м;

T – средняя температура газов и стенки, К.

Следует отметить, что излучательная способность газов не подчиняется закону Стефана – Больцмана: излучение водяного пара пропорционально , а излучение угле­кислого газа –.

Таким образом, количество теплоты, воспринятое стенками ка­нала в результате теплообмена излучением между газом и стенкой, находим из уравнения

, Вт/м, (6.29)

где – степень черноты лучевоспринимающих поверхностей:

; (6.30)

–количество тепла, излучаемое углекислым газом и во­дяным паром при

средней температуре газа;

–количество теплоты, поглощаемое углекислым газом и водяным паром

при средней температуре стенок канала.

Полученный суммарный тепловой поток излучением ис­пользуется для определения коэффициента теплоотдачи излуче­нием

(6.31)

Многие авторы для практических расчетов лучеиспускания газов рекомендуют пользоваться законом четвертых степеней, или зако­ном Стефана –Больцмана.

Расчетное уравнение лучистого теплообмена между газом и стен­ками канала в этом случае имеет следующий вид:

, (6.32)

где – эффективная степень черноты стенок канала, учитывающая излучение

газа:

, (6.33)

–коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный

5,67 ;

–отношение количества энергии излучения газа к количеству энергии

излучения абсолютно черного тела и отнесенное к 1 поверхности:

. (6.34)

–поправочный коэффициент, учитывающий более сильное влияние

парциального давле­ния по сравнению с влиянием толщины слоя газа;

–поправка, учитывающая взаимное поглоще­ние лучистой энергии газами;

для дымовых газов эта поправка составляет 2-4%, по­этому ею обычно

пренебрегают;

–средняя температура газа, К;

–средняя температура стенок канала, К;

–поглощательная способность газа при сред­ней температуре стенок

канала:

. (6.35)

Величины ,,,иопределяются по справочным графикам.

В дальнейшем величина используется для определения коэффициента теплоотдачи излучением в формуле (6.31).