Особенности излучения газов

Одно- и двухатомные газы теоретически прозрачны для теплового излучения. Поэтому, в частности, сухой и чистый воздух, состоящий, в основном, из двухатомных молекул азота и кислорода, также практически прозрачен для теплового излучения. Трехатомные и многоатомные газы этим свойством не обладают и поэтому их присутствие в газовой смеси делает ее полупрозрачной. Находясь при высокой температуре, такая среда может излучать значительное количество энергии, что и наблюдается в печах для нагрева заготовок, в топках котельных агрегатов, в проточной части газотурбинных двигателей (в камере сгорания, в межлопаточном пространстве турбины и сопле) и др. При этом учету подлежит наличие в продуктах сгорания углеводородного топлива углекислоты CO2 и водяного пара H2O, так как содержание SO2 и SO3 обычно бывает пренебрежимо малым.

Излучение чистых газов отличается от излучения твердых тел. Во-первых, поглощение и излучение лучистой энергии газами всегда имеет резко выраженный селективный (выборочный) характер: например, спектр поглощения углекислоты и водяного пара состоит из нескольких полос, в пределах которых эти газы испускают (и поглощают) электромагнитную энергию (рис. 8.7).

Второе отличие излучения газов от излучения твердых тел заключается в том, что у газов оно имеет объемный характер (у твердых тел излучение электромагнитной энергии осуществляется с поверхности), так как нужна чрезвычайно большая толщина газового слоя, чтобы излучаемая глубинными элементами энергия была бы всецело поглощена самим газом и совершенно не проникла бы в окружающую среду.

Законы излучения и поглощения газами имеют ряд существенных отличий от законов из­лу­чения и поглощения твердыми телами и жидкостями. Причина заключается в том, что газы из­лучают и поглощают энергию свободными или почти свободными атомами и молекулами, а жид­кости и твердые тела - боль­шим количеством сильно связанных между собой атомов.

Первая особенность, которую надо учитывать в теплофизических расчетах, за­ключается в том, что спектры излучения и поглощения газов имеют се­лек­тив­ный (избирательный) ха­рак­тер, т.е. газы излучают и поглощают энергию лишь в определенных интервалах длин волн, ко­то­рые называются полосами из­лу­че­ния и поглощения. Одноатомные и двухатомные газы поч­ти полностью про­пус­ка­ют тепловое излучение, поэтому поглощение в них обычно не учи­ты­ва­ют. По­лосы излучения и поглощения трех­атом­ных и многоатомных газов известны и при­во­дят­ся в справочниках. Например, углекислый газ имеет три ос­новные по­лосы: от 2.36 до 3.02 мкм, от 4.01 до 4.8 мкм и от 12.5 до 16.5 мкм; водяной пар име­ет полосы поглощения от 2.24 до 3.27 мкм, от 4.8 до 8.5 мкм и от 12 до 25 мкм.

Вторая особенность заключается в том, что, в отличие от твердых тел, из­лу­чение и по­гло­щение энергии в газах происходит не в поверхностном слое их обо­лочек, а во всем объеме; при этом по мере прохождения излучения от внут­рен­них областей к внешним часть энергии поглощается, из-за чего плот­ность мощ­нос­ти теплового излучения газа, строго говоря, ока­зы­ва­ется про­пор­ци­о­наль­ной не чет­вер­той, а более низкой степени аб­со­лютной тем­пе­ра­ту­ры. На­при­мер, для уг­ле­кислого газа эта степень» 3.5; для водяного пара» 3. Однако для прак­ти­чес­­ких расчетов часто по-прежнему используют формулы вида (8.25), (8.33), вво­дя в них эм­пи­ри­ческие поправочные коэффициенты.

Эти особенности серьезно затрудняют расчеты теплообмена с участием га­зов и делают их весьма приближенными. Для повышения точности надо ис­поль­зо­вать эмпирические фор­му­лы, справедливые при определенных условиях, и спе­ци­альные графики, приводимые в спра­воч­ной литературе.

Таблица. Усредненные значения коэффициентов по­гло­щения (степени чер­но­ты) не­ко­торых ма­териалов.

Материал	Коэф. по­гло­ще­ния A
Платиновая чернь	0.99
Нефтяная сажа при 100... 200 оС	0.96
Вода при 0... 100 оС	0.95
Стекло при 20... 100 оС	0.91
Бумага при 20... 100 оС	0.90
Красный кирпич при 25... 300 оС	0.90
Масляные краски разных цветов при 20... 100 оС	0.86
Дерево при 20... 70 оС	0.85
Песок сухой при 20 оС	0.46
Полированная нержавеющая сталь при 100 оС	0.074
Полированный алюминий при 100 оС	0.031
Полированное золото при 20 оС	0.025
Полированная медь при 100 оС	0.020
Полированное серебро при 20 оС	0.015

Для того чтобы рассчитать результирующий лучистый поток тепла от газового тела к поверхности охватывающего его твердого тела, необходимо знать не только степень черноты поверхности eW, но и степень черноты смеси газов eг.

Рис. 8.7

В настоящее время eг рекомендуют определять по формуле

, (8.37)

где и – степень черноты компонентов газовой смеси – излучателей электромагнитной энергии; b – поправка на величину парциального давления паров воды в газовой смеси; De – поправка на взаимное перекрывание спектров излучения CO2 и H2O. Все величины, входящие в правую часть формулы (3.14), установлены экспериментально.

Степень черноты каждого излучающего компонента зависит от количества его молекул в газовой смеси и от ее температуры Tг. Количество молекул–излучателей электромагнитной энергии, естественно, пропорционально парциальному давлению и в газовой смеси, а также так называемой толщине газового слоя l, определяемой по формуле

где V – объем газового тела; F – площадь охватывающей его поверхности твердого тела. Таким образом, искомые степени черноты излучающих компонентов представляют в виде зависимостей

(8.38)

(8.39)

Число аргументов для и в правой части зависимостей (8.38) и (8.39) уменьшают на один, полагая

(8.40)

(8.41)

Именно в таком виде и представляются опытные данные для и . Опытные данные для b приводятся в зависимости от для различных значений ×l, а величина De для различных температур газа представляется функцией от /( + ) для разных значений давления газовой смеси.

Для расчета результирующего лучистого теплового потока от чистого газа к поверхности твердого тела с термодинамической температурой TW и степенью черноты поверхности eW для технических приложений приемлемо использовать формулу

. (8.42)

При проведении тепловых расчетов принято пользоваться также величиной коэффициента теплоотдачи излучения газов aл, который вводится в рассмотрение формулой

(8.43)

так что величина aл, естественно, вычисляется как

. (8.44)

Использование коэффициента теплоотдачи излучением aл целесообразно при расчете лучисто–конвективного теплообмена движущегося у поверхности твердого тела высокотемпературного газа, когда приходится рассчитывать перенос тепла от газа конвекцией и излучением по формуле

(8.45)

где – суммарный коэффициент теплоотдачи, a – коэффициент теплоотдачи механизмом конвекции.

В заключение отметим, что при наличии в газовой смеси сажевых частиц, золы, частиц горящего кокса тепловой расчет приходится вести с учетом того, что имеет место излучение электромагнитной энергии уже не чистым газом, а пламенем с учетом всей сложности этого явления.