Собственное излучение газового объема

В теплотехнических инженерных расчетах обычно интерес представляют осредненные (интегральные по спектру) характеристики излучения газового объема, как, например, суммарный поток энергии излучения газового объема, суммарная доля поглощения газовым объемом внешнего падающего излучения и т. д. Эти характеристики принципиально могут быть получены на основе решения дифференциального уравнения переноса лучистой энергии (33) при соответствующих граничных условиях. Численные методы решения этого уравнения составляет расчетно-теоретическую базу современной теории теплообмена излучением. Развиваются также различные приближенные методы.

Собственное излучение изотермических объемов диоксида углерода, водяного пара и других многоатомных газов было надежно экспериментально измерено в серии работ начиная с 30-х годов нашего века. На основе этих данных были составлены номограммы, которые широко используются в настоящее время в теплотехнических расчетах [4].

На рис.7 и 8 представлены номограммы для диоксида углерода СО₂ и водяного пара Н₂О в форме зависимости коэффициента теплового излучения газового объема e от температуры газа. Параметром на графиках служат величины произведения средней длины луча l на парциальное давление излучающего газа p. Для водяного пара влияние p несколько сильнее, чем l, поэтому e , найденное из рис.8, необходимо умножить затем на поправочный коэффициент b (рис.9), зависящий от парциального давления водяного пара. По найденному из номограмм значению e рассчитывается собственное излучение газового объема по соотношению

, (36)

где s = 5,67×10^-8, Вт/(м² ×К⁴); Т_Г - температура газа.

Рис.7 Коэффициент теплового излучения газового объема СО₂.

Рис.8 Коэффициент теплового излучения газового объема Н₂О.

Рис.9 Поправочный коэффициент b для расчета коэффициента теплового излучения газового объема Н₂О.

Номограммы составлены таким образом, что вычисленная по формуле (36) плотность потока излучения Е будет определять излучение, проходящее через единичную площадку в основании окружающей ее газовой полусферы, как показано на рис.10, а. В этом случае длина пути l по всем направлениям одинакова и равна радиусу сферы. Для газовых объемов иной формы длина лучей по разным направлениям различна (рис.10, б).

a)	б)

Рис.10 Средняя длина пути луча: а - излучение газовой полусферы, проходящее через единичную площадку в центре ее основания; б - излучение газового объема сложной формы.

Для того чтобы данные, приведенные на номограммах, можно было применять для расчета излучения газовых объемов различной формы, были проведены специальные расчеты и исследования. Они показали, что излучение любого газового объема можно с хорошим приближением заменить излучением эквивалентной газовой полусферы радиуса

, (37)

где V - излучающий объем газа; F - площадь поверхности его оболочки.

Найденная по (36) плотность потока собственного излучения представляет собой среднее по поверхности значение E = Q/F, где Q - суммарный поток энергии собственного излучения газового объема.

В продуктах сгорания топлива диоксид углерода и водяной пар находятся обычно в смеси друг с другом. Коэффициент теплового излучения смеси газов, строго говоря, меньше суммы коэффициентов излучения чистых газов:

, (38)

где De - поправка, которая зависит от температуры смеси, концентрации компонентов, давления, средней длины луча. Имеются номограммы для нахождения De (см. [2,4]). При обычных соотношениях компонентов смеси, наблюдаемых на практике, поправка в количественном отношении невелика и в первом приближении может быть опущена.

Расчет коэффициента теплового излучения e смеси Н₂О и СО₂, образующейся при сжигании различных топлив, может проводиться также по упрощенной методике [2]:

, (39)

где k - коэффициент ослабления лучей в смеси, определяемый эмпирической формулой

, (40)

p = p + p - суммарное парциальное давление водяного пара и двуокиси углерода, МПа.

Эта методика согласована с приведенными выше номограммами и правомерна в следующем диапазоне параметров:

p l, МПа	8×10-4 - 0,16
p l, МПа	4×10-4 - 0,13
p / p	0,2 - 2
TГ,К	750 -1950