3.3. Особенности излучения газов

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 CO₂и водяного параH₂O, так как содержаниеSO₂иSO₃обычно 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 _грекомендуют 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 излученияCO₂иH₂O. 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 слояl, 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_Wи степенью черноты поверхности_Wдля 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 _лцелесообразно 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.