Излучение газов

Разные газы обладают различной способностью излучать и поглощать энергию. Одно- и двухатомные газы с симметричными молекулами (кислород, азот и др.) практически прозрачны для теплового излучения. Значительно большей способностью излучать и поглощать энергию обладают многоатомные газы, в частности CO₂, H₂O, NH₃. Наибольший практический интерес представляют сведения об излучении диоксида углерода и водяного пара, образующихся при сгорании топлива. Интенсивность их излучения влияет на теплообмен между раскаленными газообразными продуктами сгорания и обогреваемыми поверхностями в котлах и печах

Газы излучают селективно. Участки спектра, в которых газ излучает и поглощает энергию, называются полосами излучения (поглощения). Так, в световой (коротковолновой) части спектра излучения газы (в том числе СО₂ и Н₂О) поглощают и излучают хуже, чем в длинноволновой. Поэтому для коротковолнового излучения Солнца земная атмосфера практически прозрачна, а длинноволновое излучение Земли в большей степени улавливается атмосферой и отражается на Землю. Этим обусловлен «парниковый эффект», вызывающий глобальное потепление на Земле. Он усиливается в связи с увеличением содержания СО₂ в атмосфере вследствие производственной деятельности людей.

Излучение газов имеет объемный характер и зависит от плотности и толщины газового слоя. Чем выше плотность излучающего компонента газовой смеси, определяемая парциальным давлением р, и чем больше толщина слоя l, тем больше молекул принимает участие в излучении и тем выше поглощательная и излучательная способности слоя газа. Плотность потока излучения с поверхности газового слоя определяется по формуле

,

(5.36)

где – степень черноты газового слоя.

Значение e_г зависит от температуры, давления и толщины слоя газа l. Поскольку газы излучают в отдельных полосах спектра, величина e_г даже для толстых слоёв меньше единицы. Так, при толщине слоя 1 м водяной пар и двуокись углерода при р = 1 атм и t = 1000°С имеют степень черноты 0,6 и 0,2 соответственно.

Значения степени черноты для СО₂ и Н₂О представлены на номограммах в зависимости от температуры газа и произведения р·l. Величина l здесь является длиной пути луча, пронизывающего газовый объём. Для водяного пара значение e_г, найденное по номограмме, необходимо умножить на поправочный коэффициент, который учитывает повышенное влияние парциального давления для этого вещества и лежит в пределах от 0 до 1,6.

Номограммы построены таким образом, что вычисленное по формуле (5.36) значение Е _г равно плотности потока излучения, проходящего через единичную площадку из окружающей её газовой полусферы радиусом l (рис.5.7а). Для газовых объёмов другой формы длина пути лучей по различным направлениям разная (рис. 5.7б). В этом случае излучение газового объёма заменяют излучением эквивалентной полусферы. Её радиус, равный средней длине пути луча l _эфф^, определяют из приближенного соотношения

,

(5.37)

где V – объём газа, F – площадь поверхности его оболочки.

В продуктах сгорания топлив одновременно содержатся двуокись углерода и водяной пар, поэтому их степень черноты определяется по формуле

eг = eсо2 +∙eн2о – eсо2∙eн2о

(5.38)

Последний член формулы (5.38) учитывает частичное совпадение спектров излучения указанных газов.

Плотность потока излучения q _г–с. от газа к окружающим его поверхностям (например, стенкам топки котла) определяется по формуле

,

(5.39)

где e_пр = e_г e_с/[e_c+ e_г(1 – e_с)] – приведенная степень черноты,

e_с – степень черноты стенки.

Соотношение (5.39) определяет поток теплоты, передаваемой от газа к стенке (когда Т _г > T _с), при этом величину e_г выбирают при температуре газа. Если же теплота передаётся от стенки к газу (Т _с> T _г), то величину e_г выбирают при температуре стенки, так как поглощательная способность газа по отношению к излучению от стенки не равна его степени черноты.

Присутствие в топочных газах сажи и золы существенно увеличивает их степень черноты. Поэтому расчет теплообмена в топках котлов и печах проводятся по эмпирическим методикам, приведенным в специальной литературе.

Рис. 5.7. К определению средней длины пути луча а – излучение газовой полусферы, проходящее через единичную площадку в центре ее основания; б – газовый объём сложной формы