7.4. Теплообмен при излучении и поглощении газов

Различают несветящиеся и светящиеся газовые среды. Свечение газовой среды обусловлено наличием в ней раскаленных частиц сажи, угля, золы. Ниже рассматриваются особенности излучения несветящейся газовой среды, к которой относятся чистые газы и пары. Одноатомные газы (гелий, аргон и др.) и двухатомные, состоящие из однородных атомов (азот, кислород и др.), обладают чрезвычайно малой поглощательной способностью, поэтому их относят к диатермичным телам. Трехатомные и многоатомные газы (углекислый газ, водяной пар, сернистый ангидрид, аммиак и др.) способны излучать и поглощать заметные количества энергии. Газы излучают и поглощают не все длины волн, а отдельные участки длин волн или имеют линейчатый спектр излучения и поглощения и носят объемный характер. Количество поглощаемой (и излучаемой) газом энергии зависит от толщины газового слоя и концентрации в нем поглощающих (и излучающих) молекул. Концентрацию этих молекул проще всего оценить парциальным давлением данного компонента смеси газов. Так как толщина газового слоя и парциальное давление излучающего (и поглощающего) компонента в равной мере влияют на число участвующих в теплообмене молекул, то степень черноты газа и его поглощательную способность выбирают в зависимости от параметра р, где  – средняя длина луча в пределах газового слоя. Эта длина луча подсчитана для различных форм газового объема и приводится в справочниках. Степень черноты газов зависит и от абсолютной температуры, поэтому Хорошо изучена степень черноты газов, содержащих Н₂О и СО₂, например, продукты сгорания углеводородных топлив. Для смеси, содержащей эти газы, степень черноты определяют по формуле

(7.35)

Степень черноты отдельных газов определяется по экспериментальным графикам [1], на которых представлены зависимости вида

Эти опытные данные получены при давлении газовой смеси 0,98 бар. С увеличением общего давления смеси газов при p=const степень черноты отдельных газов возрастает. Поправки для учета влияния давления на степень черноты СО₂ и Н₂О даны в справочной литературе. Полосы излучения и поглощения в спектрах СО₂ и Н₂О частично совпадают, поэтому излучение Н₂О частично поглощается СО₂, и наоборот. Это взаимное поглощение учитывает поправка , величина которой составляет 24%, поэтому ее иногда пренебрегают. В диапазоне температур 02000⁰С степень черноты бесконечно толстого слоя газа составляет: _Н2О=0,750,4 и _СО2=0,320,2.

На практике представляет интерес лучистый теплообмен между газом и твердой оболочкой (стенкой). Плотность теплового потока, которая передается газом, содержащим СО₂ и Н₂О, можно определить по эмпирической формуле

(7.36)

где – эффективная степень черноты стенки;

– поглощательная способность газа при температуре стенки.

Эффективная степень черноты стенки больше действительного ее значения, так как стенка будет не только излучать, но и отражать часть излучения противоположного участка оболочки. При эффективная степень черноты стенки можно рассчитывать по формуле

(7.37)

Поглощательная способность газа при температуре стенки определяется выражением

где

Теплообмен излучением в светящихся газовых средах имеет свои особенности. При горении углеводородных топлив пламя, которое называют факелом, непрозрачно и имеет желтоватую окраску. Последние обусловлены содержанием большого количества раскаленных мелких частиц углерода, золы, размерами от 0,05 мк до 0,25 мм. Излучение факела по природе ближе к твердым телам, чем к газам. Концентрация и размеры частиц в факеле, которые из-за большого их количества излучают значительно больше энергии, чем газ, зависят от вида сжигаемого топлива, конструкции и размеров топки, концентрации воздуха в топливовоздушной смеси.

Для ориентировочной оценки потока тепла при лучистом теплообмене между факелом и радиационной поверхностью используют формулу

(7.38)

где – радиационная поверхность топки, т. е. поверхность, через которую отводится тепло;

– приведенная степень черноты системы;

– степень черноты факела, которая выбирается в зависимости от от вида и способа сжигания топлива ( ).

Температура факела определяется как средняя геометрическая из теоретической температуры горения топлива Т₁ и температуры газа на выходе из топки Т₂, т. е.