9.Теплообмен излучением между поверхностями, разделенными ослабляющей средой.

В металлургической практике широко распространены такие случаи теплообмена излучением, когда излучающие поверхности разделены ослабляющей средой. Ослабляю­щей средой могут являться газы, излучающие и поглоща­ющие тепловую энергию, а также газы с взвешенными в них частичками сажистого углерода и золы. В объемах, заполненных такой средой, проходящий лучистый поток будет ослабляться, так как частицы среды способны погло­щать и рассеивать тепловую энергию. Наиболее часто встречаются такие случаи (газы, газы со взвешенными от­носительно мелкими частицами), для которых ослабление излучения происходит за счет поглощения, а рассеяние от­сутствует вовсе или им можно пренебречь.

Закон Бугера—Вера. Согласно закону Бугера, относи­тельное ослабление луча в слое среды пропорционально толщине этого слоя dx. Однако, согласно закону Бера, от­носительное изменение интенсивности луча в слое данной толщины пропорционально концентрации ослабляющего вещества μ. Отсюда следует объединенный закон Бугера— Бера

Коэффициент пропорциональности k_λ характеризует способность частиц поглощать и рассеивать излучение волн длиной λ и называется спектральным коэффициентом ос­лабления.

Для упрощения практических расчетов обычно вводят понятие серый газ, т.е. такой газ, поглощающая способность которого АО всех частях спектра одинакова.

Спектр поглощения газов является селективным. Это означает, что газы поглощают тепловую энергию в опреде­ленных интервалах длин волн Δλ, определяющих так на­зываемые полосы поглощения. Как следует из закона Кирх­гофа, газы могут испускать лучи только с теми длинами волн, что и лучи, которые они поглощают. Поэтому излуче­ние газов является также селективным. Не все газы прак­тически излучают и поглощают тепловые лучи. Спектр встречающихся в составе печной атмосферы одно- и двух­атомных газов (кислорода, азота, окиси углерода и др.) состоит из очень узких полосок, поэтому общее количество энергии, которое излучают эти газы, очень невелико, и прак­тически можно считать, что они совсем не излучают тепла. Вместе с тем эти газы являются также лучепрозрачными и практически не нагреваются при прохождении через них лучей от других тел.

Трехатомные и многоатомные газы, наоборот, могут из­лучать и поглощать большое количество тепла. Наиболь­шее практическое значение имеет излучение углекислоты (СО₂) и водяных паров (Н₂0), поскольку из них (наряду с азотом) в основном состоят дымовые газы. Спектры этих газов очень сложны. Для СО₂ обычно принимают три по­лосы излучения и поглощения, соответствующие следую­щим интервалам длин волн, мкм: 2,3—3.02; 4,01—4,80 и 12,5—16,5.

Для Н₂О эти интервалы длин волн соответственно рав­ны 2,24—3,27; 4,8—8,5 и 12,0—25,0 мкм.

Поглощение газами тепловой энергии зависит от тем­пературы и концентрации газа, выражаемой его парциаль­ным давлением и эффективной толщиной газового слоя, т. е.

Сохраняя единообразие записи с твердыми телами, мож­но написать то же самое для степени черноты газов:

Излучение газами тепловой энергии, как показали ис­следования, для СО₂ пропорционально Т^3,5, а для Н₂0 про­порционально Т³. Применение различных законов излуче­ния для твердых и газообразных тел очень сильно затруд­нило бы расчет. Поэтому для практических расчетов теплового излучения газов применяют также закон Стефа­на— Больцмана, причем степень черноты газа также ха­рактеризует его излучательную способность. Таким обра­зом, количество тепла, которое излучает газ на 1 м² окру­жающей его поверхности, в единицу времени может быть найдено из выражения

Погрешность, вносимая допущением о том, что q_г=(Т⁴), учитывается при определении ε_г.

Контрольные вопросы

1. Что называется температурным полем?

2. В чем заключается физический смысл полного и удельного тепловых потоков?

3. Что называется конвективным теплообменом?

4. Дайте определение теплопроводности?

5. В каких состояния может передаваться тепло теплопроводностью?

6. Что называется коэффициентом теплоотдачи?

7. Какое выражение позволяет определить распределение температуры в плоской однослойной стенке?

8. Что называется коэффициентом теплопередачи?

9. От чего зависит плотность теплового потока?

10. Что называется конвекцией?

11. От каких параметров зависит коэффициент теплоотдачи конвекцией?

12. Что называется свободным движением газа или жидкости?

13. Что называется вынужденным движением газа или жидкости?

14. Сформулируйте закон Планка?

15. В чем заключается физический смысл коэффициента лучеиспускания серого тела?

16. Что обозначает понятие степень черноты?