3.Свойства и характеристики тел и сред

3.1.Радиационные свойства

Все виды теплового излучения в первом приближении могут быть классифицированы по спектральному составу в зависимости от характера распределения спектральной плотности интенсивности излучения, а также от наличия или отсутствия излучения в разных частях спектра. По первому признаку целесообразно выделить серое излучение, для которого во всем диапазоне длин волн теплового излучения отношение спектральной плот-ности интенсивности излучения к такой же характеристике абсолютно черного тела - , сохраняется постоянным, т.е. / . Следствием этого является и то, что . Тела с такими характеристиками можно считать абсолютно серыми.

Из определения следует, что абсолютно серые тела несут энергию излучения на любой волне спектра, поэтому такое излучение получило название сплошного в отличие от дискретного, при котором излучение происходит только в некоторых частях спектра, между ними излучение отсутствует. Приведенное разделение хорошо иллюстрирует рис.3.1. Следует еще раз подчеркнуть условность подобного деления. В действительности реальные тела имеют весьма сложные спектры излучения. В этом легко убедиться при анализе радиационных свойств разных сред. Приведенные на рис.3.2 зависимости характеризуют тепловое излучение подобных тел как селективное. Дискретное излучение можно рассматривать как частный случай селективного.

Рис. 3.1. Спектры излучения (а) и поглощения (б) абсолютно черным телом

(1), абсолютно серым телом (2), телом с дискретным излучением (3)

Как правило, излучательная способность реальных сред определяется экспериментальным путем, исключение составляют чистые металлы, для которых радиационные свойства определяются теоретически на основе достижений электромагнитной теории:

- , (3.1)

где - удельное электросопротивление, Ом ^. см.

Степень черноты для диэлектриков в первом приближении может быть оценена через коэффициент преломления :

Рис. 3.2. Излучательная и поглощательная способности диалектриков: белой огнеупорной глины (1); белого кирпича (2); штукатурки (3); электропроводников: полированного алюминия (4); анодированного алюминия (5); полированной меди (6); водяного пара при =10,9 МПа^.см (7,8)

. (3.2)

Таким образом, для реальных тел радиационные свойства сред зависят не только от длины волны, но и от других физических характеристик - . Если учесть, что на и другие величины влияет и состояние излучаемой поверхности (шероховатость, степень окисленности), то выя-вится исключительно сложная картина в описании теплообмена излучением. Поэтому для практических расчетов обычно используется модель «серого» излучения, а радиационные свойства сред оцениваются интегральными ха-рактеристиками.

В отличие от твердых тел тепловое излучение газов обладает рядом особенностей. Первая из них состоит в том, что излучать и поглощать лучистую энергию в небольших количествах могут двухатомные газы с несимметричной молекулой (СО, НСl и др.) и в более значительных – трехатомные газы (CO₂ , H₂O, SO₂ и др.), а также газы с большим числом молекул (SO₃, СН₄, С_nH_m и др.). Для условий работы тепловых агрегатов в металлургии наиболее существенны излучения CO₂, Н₂О, SO₂ и СO. Для инженерных расчетов сложные спектры этих газов заменяют упрощенными, полагая, что газы излучают и поглощают энергию в пределах участков (полос) спектра, расположенных в его инфракрасной части. Ниже приведены полосы излучения, мкм, CO₂, Н₂О, SO₂ и СO:

CO₂… - 2,4-3,0 4,0-4,8 - - 12,5-16,5

Н₂О… 1,7-2,3 2,3-3,4 4,8-8,5 6,9-7,6 8,0-9,5 15,8-23,2

SO₂... - 3,8-4,0 4,1-4,6 6,9-7,6 8,0-9,5 15,8-23,2

СO… - - - 4,4-4,9 - - -

Таким образом, тепловое излучение газовой смеси или какого-либо одного газа слагается из излучения и поглощения его полос. Поэтому в первую очередь излучение газа существенно зависит от свойств компонентов и их парциального давления в смеси.

Вторая особенность теплового излучения газов заключается в том, что процессы излучения и поглощения энергии всегда протекают в объеме. Как известно, поглощение тепловой энергии в газах связано с воздействием излучения на молекулы газа. Такое воздействие сугубо индивидуально, оно имеет кратковременный характер. Таким образом, поглощение излучения должно быть функцией числа молекул, находящихся на пути луча (гипотеза Бугера-Бера). Поскольку число молекул зависит от парциального давления, то поглощение должно зависеть от произведения этого давления на длину пути луча ( толщины газового слоя).

Парциальное давление излучающих газов определяется обычно легко, так как их состав бывает известен либо по химическому анализу, либо по расчетам горения топлива. Несколько сложнее находится линейный размер, характеризующий толщину газового слоя и получивший название эффек-тивной длины пути луча . За принимают радиус полусферического газового объема, плотность излучения которого такая же, как для объема реальной формы. Если рассматривать излучение по одному лучу, то значение совпадает с действительным размером, но если рассматривать излучение, например, газа на под печи, то излучение падает на лучевоспринимающую поверхность под разными углами, и соот-ветствующая толщина излучающего слоя будет разной. В общем случае величина , м, зависит от формы и размеров газового объема; она определяется по формуле Невского:

, (3.3)

где - объем излучающего газа; - площадь всех стен, ограничивающих этот объем; - коэффициент эффективности газового объема, зависящий от формы газового объема и от степени черноты газов. В инженерных расчетах > 1 м соответствует , а < 1м величина . Для разных форм газового объема при величина определяется так:

Сфера диаметром d…………………………………………………………..0,6 d

Куб со стороной а........................................................................................... 0,6 a

Длинный цилиндр диаметром d……………………………………………0,9 d

Цилиндр размером h = d при излучении:

на боковую поверхность……………………………………………..0,6 d

на центр основания…………………………………………………..0,77d

Слой газа толщиной h между двумя бесконечными пластинами………1,8 h

Длинный канал со сторонами ………………………………..

Приведенные цифры достаточно четко отражают рассматриваемую особенность газового излучения.

Третья особенность состоит в том, что тепловое излучение газа не подчиняется закону Стефана-Больцмана. Действительно, по опытным дан-ным плотность потока излучения, например для водяного пара, пред-ставляется зависимостью:

. (3.4)

Для СО₂ подобная зависимость отличается числовыми значениями степеней. В целях универсализации расчетов тепловое излучение газов рассчитывают, используя закон Стефана-Больцмана, учитывая все особенности излучения газов при определении степени черноты газов - . Сравнивая (3.4) и (2.7), можно установить, что

или . (3.5)

Еще раз подчеркнем, что связь и чисто условная, определяемая необходимостью использования для расчетов закона Стефана-Больцмана.

Четвертая особенность проявляется при излучении смеси газов. Обычно газовая среда в пламенных печах содержит СО₂, Н₂О, N₂, О₂. В печах малоокислительного нагрева появляется еще СО, а в печах цветной металлургии при обработке содержащего серу сырья - SО₂. Каждый из этих газов, кроме О₂ и N₂, способен излучать и поглощать тепловую энергию. При одновременном излучении этих газов полосы излучения частично налагаются одна на другую, при этом суммарное излучение этих газов будет меньше суммы излучений каждого газа в отдельности. Отсюда следует важный вывод: излучение смеси газов по своей природе не подчиняется правилу аддитивности. В этом случае степень черноты, как и поглощающая споосбность газового объема, может быть найдена на основе закона Бугера-Бера, записанного для газового излучения:

= = , (3.6)

где - коэффициент ослабления, м^-1; - парциальное давление i-го компонента газа.

В частности, для смеси СО₂ и Н₂О коэффициент ослабления определяется по формуле Гурвича и Митора

, (3.7)

где Т – температура газа.

Степени черноты (поглощательные способности) могут быть рассчи-таны по номограммам, построенным по экспериментальным данным. В этом случае удобнее пользоваться выражением

= = , (3.8)

полученным из формулы Бугера-Бера. Значения в этом выражении могут быть найдены по рис.3.3. следует иметь в виду, что , где - поправочный коэффициент на парциальное давление водяного пара, точнее на неодинаковость влияния и на величину (см.(3.4)). Следо-вательно, для нахождения или необходимо знать парциальные давления излучающих газов , эффективную длину пути луча , а также темпе-ратуру участвующих в теплообмене газов Т.