3. Излучение газов

Излучение газообразных тел резко отличается от излу­чения твердых тел. Излучение одно- и двухатомных газов столь ничтожно, что эти газы считаются вовсе неизлучающими. Неспособны эти газы и к поглощению лучистой энер­гии. Луч, направленный на слой двухатомного газа, про­ходит через него и выходит с другой стороны слоя с той же интенсивностью, с какой он вошел. О таких газах говорят, что они прозрачны (диатермичны) для тепловых лучей.

Иначе обстоит дело в отношении газов трех- и много­атомных. Замечено было, что излучение трехатомных газов и среди них водяного пара и углекислого газа имеет существенное значение в теплообмене между продуктами сгорания топлива и стенками котельных по­верхностей нагрева.

Особенность излучения газов состоит в том, что их спектры излучения и поглощения в отличие от спектров черного и серого тел имеют резко выраженный селективный характер, т. е. эти газы излучают и способны к поглощению лучей с определенными длинами волн. Для лучей с другими длинами волн эти газы прозрачны.

Исследования показывают, что газы Н₂О и СО₂ имеют в своем спектре по три полосы длин волн, в области которых излучение имеет существенное значение.

Ранее уже говорилось, что когда тепловой луч встречает на своем пути твердое тело, то он частично поглощается, частично же отражается. Когда такой луч встречает на своем пути слой газа, способного к поглощению луча с данной длиной волны, то этот луч частично поглощается, частично же проходит через толщу слоя и выходит с другой стороны слоя с интенсивностью, меньшей, чем при входе. Ввиду се­лективного характера спектра газов здесь может идти речь только об интенсивности лучей с определенной длиной волны, которую мы будем обозначать I_λ(монохроматиче­ские излучение и поглощение).

Коэффициент поглощения газового слоя может быть найден из следующих соображений: если I_λ1 — интенсивность излучения, входящего в слой газа, а I_λ2 — выходя­щего излучения, то коэффициент поглощения A_λ газового слоя составляет (9):

(a)

Опыт показывает, что потеря интенсивности dI_λ на бесконечно малом пути dx луча пропорциональна интенсивно­сти в данной точке и зависит от свойств газа; математически это можно записать так (рис. 9):

dI_λ = -β_λI_λdx; (б)

здесь β_λ - коэффициент пропорциональности, зависящий от природы газа, длины волны и состояния газа, он назы­вается показателем поглощения (знак минус поставлен потому, что интенсивность луча по пути падает и d/λ вели­чина отрицательная).

Разделяя в (б) переменные, находим:

а интегрируя это выражение в пределах от 0 до толщины слоя s, получаем:

После интегрирования (принимая β_λ не зависящим от х) получаем:

Рис. 9. Поглощение теплового луча слоем газа.

что можно записать так:

откуда

(в)

Подставляя полученное вы­ражение в (а), находим значе­ние коэффициента поглощения слоя и на основании фор­мулы (14) - коэффициент черноты а_λ:

(25)

Эта формула показывает, что А_λ зависит от показателя поглощения β_λ и толщины s слоя; при s - т. е. слой большой толщины поглощает монохроматический луч целиком, что приближает такой слой по способности к по­глощению, а следовательно, и по способности к излучению, к абсолютно черномутелу.

Формула (25) справедлива для монохроматического излучения. Распространяя ее на все излучение слоя газа толщиной s, можно для него вычислить коэффициент черноты а, который, как и а_λ, будет зависеть от толщины слоя и от состояния газа, т. е.

а = f(р,T, s). (26)

При практических расчетах излучения СО₂ в продуктах сгорания зависимость а от р и s заменяют зависимостью от произведения ps, где для продуктов сгорания р парци­альное давление данного излучающего газа в смеси.

Таким образом, для коэффициента черноты СО₂ полу­чают зависимость

a = F(p, s, T). (27)

Для водяного пара получается такая же зависимость, но с добавочной поправкой на парциальное давление р.

Экспериментальные данные для вычисления а и способы подсчета количеств тепла, передаваемого излучением, при­водятся в специальных курсах.

Когда найдены в отдельности количества тепла, передан­ные за единицу времени излучением СО₂ и Н₂О, определяют суммарное количество тепла, переданное излучением по­верхности F:

и после этого находят значение коэффициента теплоотдачи излучением по следующей формуле:

(28)

здесь t - температура газов;

t_CT - температура стенки.

Общий же коэффициент теплоотдачи для теплообмена соприкосновением и излучением (сложный тепло­обмен) равен сумме:

а = а_с + а_изл. (29)