59.Определение результирующего лучистого теплового потока между твёрдыми телами и между газом и твёрдым телом

Расчет результирующего лучистого потока энергии между телами, разделенными прозрачной средой, в общем случае, очень сложен, так как его величина зависит от многих факторов: от формы облучающих друг друга тел, от их взаимного расположения в пространстве, от степени черноты их поверхности и др. Не вдаваясь в детали, укажем на то, что для самого распространенного на практике случая, когда одно тело полностью охватывает другое тело, т.е. когда тело 1 находится в полости, образованной телом 2 (рис. 3.3), результирующий поток лучистого тепла подсчитывается по формуле

. (3.11)

В формуле (3.11) обозначены: _п – приведенная степень черноты системы тел 1-2, определяемая как

(3.12)

где ₁, F₁, T_W1 и ₂, F₂, T_W2 – степень черноты, площадь и термодинамическая температура поверхности тел 1 и 2 соответственно; C₀ = 5,67 Вт/(м² К⁴)– константа излучения Стефана–Больцмана, умноженная на 10⁸.

В формуле (3.12) сомножители единица при 1/₁ и при называются коэффициентами облученности первого тела на второе и второго тела на первое соответственно.

Рис. 3.3

При выводе формулы (3.11) предполагается, что ₁ и F₁ – это степень черноты и площадь поверхности тела, помещенного в полость, а T_W1 – температура поверхности тела с большей температурой.

Нетрудно видеть, что если F₁  F₂, то _п  ₁, т.е. когда площадь поверхности тела 1 во много раз меньше площади поверхности тела 2, то приведенная степень черноты системы этих тел практически совпадает со степенью черноты поверхности тела 1.

В том частном случае, когда рассматривается теплообмен излучением между двумя параллельными пластинами, в формуле (3.12) надо положить F₁ = F₂.

Рис. 3.4

На практике часто между такими телами–пластинами приходится размещать параллельные им пластины–экраны (рис. 3.4), которые предназначены для того, чтобы уменьшить результирующий лучистый поток тепла. Экраны изготавливают, как правило, из фольги металлов, сплавов или диэлектриков. При наличии n экранов приведенная степень черноты систем тел 1 и 2 с плоскими экранами между ними определяется по формуле

(3.13)

60.Особенности излучения газов. Степень черноты смеси газов

61.Метод расчёта результирующего лучистого потока энергии между твёрдыми телами и между газом и твёрдым телом

Одно- и двухатомные газы теоретически прозрачны для теплового излучения. Поэтому, в частности, сухой и чистый воздух, состоящий, в основном, из двухатомных молекул азота и кислорода, также практически прозрачен для теплового излучения. Трехатомные и многоатомные газы этим свойством не обладают и поэтому их присутствие в газовой смеси делает ее полупрозрачной. Находясь при высокой температуре, такая среда может излучать значительное количество энергии, что и наблюдается в печах для нагрева заготовок, в топках котельных агрегатов, в проточной части газотурбинных двигателей (в камере сгорания, в межлопаточном пространстве турбины и сопле) и др. При этом учету подлежит наличие в продуктах сгорания углеводородного топлива углекислоты CO₂ и водяного пара H₂O, так как содержание SO₂ и SO₃ обычно бывает пренебрежимо малым.

Излучение чистых газов отличается от излучения твердых тел. Во-первых, поглощение и излучение лучистой энергии газами всегда имеет резко выраженный селективный (выборочный) характер: например, спектр поглощения углекислоты и водяного пара состоит из нескольких полос, в пределах которых эти газы испускают (и поглощают) электромагнитную энергию (рис. 3.6).

Второе отличие излучения газов от излучения твердых тел заключается в том, что у газов оно имеет объемный характер (у твердых тел излучение электромагнитной энергии осуществляется с поверхности), так как нужна чрезвычайно большая толщина газового слоя, чтобы излучаемая глубинными элементами энергия была бы всецело поглощена самим газом и совершенно не проникла бы в окружающую среду.

Для того чтобы рассчитать результирующий лучистый поток тепла от газового тела к поверхности охватывающего его твердого тела, необходимо знать не только степень черноты поверхности _W, но и степень черноты смеси газов _г.

Рис. 3.6

В настоящее время _г рекомендуют определять по формуле

, (3.14)

где и – степень черноты компонентов газовой смеси – излучателей электромагнитной энергии;  – поправка на величину парциального давления паров воды в газовой смеси;  – поправка на взаимное перекрывание спектров излучения CO₂ и H₂O. Все величины, входящие в правую часть формулы (3.14), установлены экспериментально.

Степень черноты каждого излучающего компонента зависит от количества его молекул в газовой смеси и от ее температуры T_г. Количество молекул–излучателей электромагнитной энергии, естественно, пропорционально парциальному давлению и в газовой смеси, а также так называемой толщине газового слоя l, определяемой по формуле

где V – объем газового тела; F – площадь охватывающей его поверхности твердого тела. Таким образом, искомые степени черноты излучающих компонентов представляют в виде зависимостей

(3.15) (3.16)

Число аргументов для и в правой части зависимостей (3.15) и (3.16) уменьшают на один, полагая (3.17) (3.18)

Именно в таком виде и представляются опытные данные для и . Опытные данные для  приводятся в зависимости от для различных значений l, а величина  для различных температур газа представляется функцией от /(+) для разных значений давления газовой смеси.

Для расчета результирующего лучистого теплового потока от чистого газа к поверхности твердого тела с термодинамической температурой T_W и степенью черноты поверхности _W для технических приложений приемлемо использовать формулу

. (3.19)

При проведении тепловых расчетов принято пользоваться также величиной коэффициента теплоотдачи излучения газов _л, который вводится в рассмотрение формулой

(3.20)

так что величина _л, естественно, вычисляется как

. (3.21)

Использование коэффициента теплоотдачи излучением _л целесообразно при расчете лучисто–конвективного теплообмена движущегося у поверхности твердого тела высокотемпературного газа, когда приходится рассчитывать перенос тепла от газа конвекцией и излучением по формуле

(3.22)

где – суммарный коэффициент теплоотдачи,  – коэффициент теплоотдачи механизмом конвекции.

В заключение отметим, что при наличии в газовой смеси сажевых частиц, золы, частиц горящего кокса тепловой расчет приходится вести с учетом того, что имеет место излучение электромагнитной энергии уже не чистым газом, а пламенем с учетом всей сложности этого явления.