Особенности излучения газов

Все виды теплового излучения в первом приближении могут быть классифицированы по спектральному составу в зависимости от характера распределения спектральной плотности интенсивности излучения, а также от наличия или отсутствия излучения в различных частях спектра. По первому признаку целесообразно выделить серое излучение, для которого во всём диапазоне длин волн теплового излучения отношение спектральной плотности интенсивности излучения I_ к такой же характеристике абсолютно чёрного тела I_,0 сохраняется постоянным, т.е. I_/I_,0 = = _ = const. Следствием этого является то, что  = E/E₀ = const. Тела с такими характеристиками можно считать абсолютно серыми. Из определения следует, что абсолютно серые тела несут энергию излучения на любой волне спектра, поэтому такое излучение получило название сплошного в отличие от дискретного или полосчатого. В основе классификации излучения на сплошное и дискретное лежит второй из приведённых выше признаков, т.е. дискретным называют излучение, которое имеет место только в некоторых частях спектра. Между этими частями спектра излучение отсутствует.

Для реальных тел радиационные свойства зависят не только от длины волны, но и от других физических характеристик: удельного электрического сопротивления _э, коэффициента преломления, температуры, шероховатость поверхности, степени окисления поверхности и др. Поэтому аналитически рассчитать эти свойства не представляется возможным, и для практических расчётов обычно используется модель "серого" излучения, а сами радиационные свойства оцениваются интегральными характеристиками.

В отличие от твёрдых тел тепловое излучение газов обладает рядом особенностей. Первая из них состоит в том, что излучать и поглощать лучистую энергию в небольших количествах могут двухатомные газы с несимметричной молекулой (CO, HCl и др.) и в более значительных – трёхатомные газы (CO₂, H₂O, SO₂ и др.), а также молекулы с большим числом атомов (SO₃, CH₄, C_nH_m и др.). Для условий работы тепловых агрегатов в металлургии наиболее существенным является излучение CO₂, H₂O, SO₂ и СО. Для инженерных расчётов сложные спектры этих газов заменяют упрощенными, полагая, что газы излучают и поглощают энергию в пределах участков (полос) спектра, расположенных в его инфракрасной части. Полосы излучения CO₂, H₂O, SO₂ и СО в мкм (10^-6 м) приведены ниже:

СО₂ 2,4-3,0 4,0-4,8 12,5-16,5

Н₂О 1,7-2,3 2,3-3,4 4,8-5,8 6,9-7,6 8,0-9,5 15,8-23,2

SO₂ 3,8-4,0 4,1-4,6 6,9-7,6 8,0-9,5 15,8-23,2

СО 4,4-4,95

Таким образом, тепловое излучение газовой смеси или какого-либо одного газа слагается из излучения и поглощения его полос. Поэтому в первую очередь излучение газа существенно зависит от свойств его компонентов и их парциального давления в смеси.

Вторая особенность теплового излучения газов заключается в том, что процессы излучения и поглощения энергии всегда протекают в объёме. Как известно, поглощение тепловой энергии в газах связано с воздействием излучения на молекулы газа. Такое воздействие является сугубо индивидуальным, так как между кратковременными столкновениями молекулы не встречаются друг с другом. Поэтому поглощение энергии излучения должно быть функцией числа молекул, находящихся на пути луча (гипотеза Бугера). Поскольку число молекул зависит от парциального давления, то поглощение должно зависеть от произведения этого давления на длину пути луча (толщину газового слоя).

Парциальное давление излучающих газов обычно определяется легко, так как их состав бывает известен либо по химическому анализу, либо по расчётам горения топлива. Несколько сложнее находится линейный размер, характеризующий толщину газового слоя и получивший название эффективной длины пути луча S_эф (в ряде источников обозначается как l_эф). За S_эф принимают радиус полусферического газового объёма, плотность излучения которого такая же, как для объёма реальной формы. Если рассматривать излучение по одному лучу, то значение S_эф совпадает с действительным размером, но если рассматривать излучение, например, газа на под печи, то излучение падает на лучевоспринимающую поверхность под разными углами, и соответствующая толщина излучающего слоя будет разной. В общем случае величина S_эф зависит от формы и размеров газового объёма; она определяется по формуле А.С. Невского:

S_эф = м (3.35)

где V – объём излучающего газа; F – площадь всех стен, ограничивающих этот объём; m – коэффициент эффективности газового объёма, зависящий от формы газового объёма и от степени черноты газов. В инженерных расчётах обычно принимают при S_эф > 1 м m = 0,9, а при S_эф < 1м m = 0,85. Для различных форм газового объёма при m = 0,9 имеем для S_эф:

Схема объёма	Значение Sэф
Сфера диаметром d	0,6 d
Куб со стороной a	0,6 a
Длинный цилиндр диаметром d	0,9 d
Цилиндр размерами h = d (архимедов цилиндр): излучение на боковую поверхность Излучение на центр основания	0,9 d 0,77 d
Слой газа толщиной h между двумя бесконечными пластинами	1,8 h
Длинный канал со сторонами ab

Приведённые цифры достаточно чётко отражают рассматриваемую особенность газового излучения.

Третья особенность состоит в том, что тепловое излучение газов не подчиняется закону Стефана-Больцмана. Действительно, по опытным данным плотность потока излучения, например, для водяного пара представляется зависимостью:

(3.36)

Для диоксида углерода имеем подобную зависимость:

(3.37)

В целях универсализации расчётов тепловое излучение газов рассчитывают, используя закон Стефана-Больцмана, включая все отклонения от него в методику определения степени черноты газов _г. Иными словами, степень черноты газов не является физической характеристикой вещества – это некоторая чисто условная величина, предназначенная для подгонки закономерностей излучения газового объёма под закон Стефана-Больцмана для абсолютно чёрного тела. Например, для водяного пара имеем

или = f(p, S_эф, T). (3.38)

Четвёртая особенность проявляется при излучении смеси газов. Обычно газовая атмосфера пламенных печей включает CO₂, H₂O, N₂, O₂. В атмосфере печей малоокислительного нагрева появляется ещё СО, а в атмосфере печей цветной металлургии при обработке серосодержащего сырья – SO₂. Каждый из газов (кроме О₂ и N₂) способен излучать и поглощать тепловую энергию. При одновременном излучении этих газов полосы излучения частично накладываются одна на другую, при этом суммарное излучение этих газов будет меньше суммы излучений каждого газа в отдельности. Отсюда важный вывод: излучение смеси газов по своей природе не подчиняется правилу аддитивности. В этом случае степени черноты, как и поглощательная способность газового объёма могут быть найдены на основе закона Бугера-Бера, записанного для газового излучения:

(3.39)

где  коэффициент ослабления i-того компонента, м^-1; p_i  парциальное давление этого компонента. В частности, для смеси СО₂ и Н₂О величина коэффициента ослабления определяется по эмпирической формуле А.М. Гурвича и В.В. Митора:

(3.40)

Степени черноты (поглощательные способности) могут быть рассчитаны с использованием номограмм, построенных по экспериментальным данным. В этом случае удобнее пользоваться выражением

_г = a_г = (3.41)

полученным из формулы Бугера-Бера.