3.8 Теплообмен между газами и твердыми телами

3.8.1 Особенности излучения газов и паров

Одно- и двухатомные газы (гелий, водород, кислород, азот и др.) практически являются прозрачными (диатермичными) для теплового излучения.

Трехатомные и многоатомные газы обладают большой излучательной и поглощательной способностью (СО₂, Н₂О, SО₂).

В отличие от твердых и жидких тел излучение газов носит объемный характер, т.к. в нем участвуют все микрочастицы газа, заключенного в рассматриваемом объеме. Поэтому поглощательная способность газа изменяется в зависимости от плотности и толщины газового слоя.

Излучение газов носит избирательный (селективный) характер. Они поглощают и излучают энергию только в определенных интервалах длин волн (рис. 37, 38).

Рис. 37 – Спектр поглощения газообразной двуокиси углерода

Газы излучают и поглощают интервалах длин волн - полосах, расположенных в различных частях спектра. Энергию длин волн вне этих полос газы не поглощают и не излучают. Протяженность и место расположения на спектре полос излучения (поглощения) лучистой энергии различны для различных газов. Для двуокиси углерода и водяного пара наибольшее практическое значение имеют следующие основные полосы (в мк):

_{- для СО}2

1 полоса	от λ = 2,36 мк до λ = 3,02 мк (Δλ1 = 0,66 мк)
2 полоса	от λ = 4,01 мк до λ = 4,80 мк (Δλ2 = 0,79 мк)
3 полоса	от λ = 12,5 мк до λ = 16,5 мк (Δλ3 = 4,0 мк)

_{- для Н2О}

1 полоса	от λ = 2,24 мк до λ = 3,27 мк (Δλ1 = 1,03 мк)
2 полоса	от λ = 4,8 мк до λ = 8,5 мк (Δλ2 = 3,7 мк)
3 полоса	от λ = 12,5 мк до λ = 25 мк (Δλ3 = 12,5 мк)

Рис. 38 – Спектр поглощения водяного пара:

а – для коротковолнового участка (λ = 0,8-4 мк), температура пара 400 К, толщина слоя 109 см; б - для длинноволнового участка (λ = 4-34 мк), температура пара 400 К, толщина слоя 109 см; 1 - температура пара 400 К, толщина слоя 109 см; 2 – смесь 3,18% Н₂О+воздух, Т = 291 К, l = 220 см; 3 - Т = 400 К, l = 32,4 см; 4 - Т = 400 К, l = 104 см; 5 - смесь 12,35% Н₂О+воздух, Т = 354 К, l = 32,4 см.

Спектральные полосы поглощения СО₂ частично совпадают с полосами поглощения Н₂О. Двуокись углерода обладает более узкими полосами поглощения чем водяной пар. Поэтому интенсивность излучения и степень черноты водяного пара больше, чем у двуокиси углерода.

Излучательная способность для углекислого газа и водяного пара по опытным данным может быть представлена зависимостями:

, (164)

. (164)

Приведенные зависимости показывают, что излучение газов значительно отклоняется от закона четвертых степеней абсолютной температуры Стефана-Больцмана. Таким образом, излучательная и поглощательная способности газов являются функциями:

(165)

(166)

где р – парциальное давление, ат;

ℓ – эффективная толщина слоя, м.

В основу практических расчетов излучения газов положен закон Стефана-Больцмана.

Однако, для удобства практических расчетов излучение газов связывают с излучением абсолютно черного тела, вводя понятие степени черноты газа:

, (167)

где ε_г – степень черноты газа,

q_г – количество тепла, передаваемого излучением газа, Вт/м².

И тогда плотность излучения газа определяется по формуле:

, Вт/м². (168)