4.6. Теплообмен излучением между объемом газа и твердой поверхностью.

Излучение газов имеет следующие особенности:

1. Излучение газов (в отличие от излучения твердых тел) имеет строго избирательный характер, т.е. слой газов способен излучать (или поглощать) лучистую энергию на определенных длинах волн. Для лучистой энергии с другой длиной волны газы являются прозрачными телами.

2. Наибольшей излучательной (и поглощательной) способностью обладают трехатомные (СО₂, Н₂О, SО₂) и многоатомные газы. Одно- и двухатомные газы практически прозрачны для лучей всех длин волны.

3. Излучение и поглощение лучистой энергии в газах происходит по всему объему.

4. Количество энергии, излучаемое газовым слоем, не подчиняется закону Стефана-Больцмана, но для удобства практических расчетов принимают

,

где _Г - степень черноты газового слоя, которая зависит от парциального давления излучающих газов (3-х и многоатомных), толщины газового слоя в отличие от твердых тел, для которых =пост.;

Т₂ - средняя температура излучающих газов.

По приведенному уравнению определяется поток собственного излучения газа в пустоту с Т=ОК.

Для определения степени черноты газового слоя (_Г) рассмотрим изменение интенсивности теплового излучения в газовом слое (Рис. 16).

Рассмотрим бесконечно тонкий слой газа dl на расстоянии l от исходной поверхности газового объема.

Т епловой поток излучения на входе в газовый объем Е₀, ослабленный поток на расстоянии l - Е и изменение потока в слое dl-dЕ.

Примем в первом приближении прямую пропорциональность зависимости между dE­ и dl. Т.к. Е - уменьшается с увеличением l, то dE=-КЕdl,

где К - коэффициент ослабления излучения газовым слоем, 1/м.

Разделяя переменные и интегрируя от 0 до l имеем

, и

Это уравнение называется законом Бугера и широко используется для расчетов.

Коэффициент поглощения теплового излучения газовым слоем, для определенной длины волны 

Для реальных газов коэффициент поглощения газов пропорционален числу поглощающих молекул, т.е. при Т=пост, плотности или давлению газов

,

где _Г - полная, эффективная, интегральная степень черноты газового слоя;

К - полный, эффективный, интегральный коэффициент ослабления излучения газовым слоем, приведенный к давлению газа 1 атм (10⁵ Па, 1/матм);

р - парциальное давление поглощающих газов, атм (Па);

S - эффективная толщина излучающего слоя газов, соответствующая средней длине прохождения излучения в газовом слое, м.

Для не запыленного газового слоя дымовых газов К=К_Г и , где К_г вычисляется по эмпирическим формулам и диаграммам.

Для запыленных золой и сажей дымовых газов

,

где к_п - коэффициент ослабления излучения саже-пылевыми частицами;

 - весовая концентрация пылевых частиц в дымовых газах, кг/мм³.

Средняя толщина излучающего слоя газов для замкнутого газового объема определяют из уравнения

.

На практике излучение газов происходит, как правило, в замкнутом объеме - топочной камере котельных установок, печей и т.д. Поэтому, рассматривая теплообмен между газом и замкнутой твердой стенкой, необходимо учитывать собственное излучение замкнутой твердой стенки, которое в соответствии с законами излучения равно

,

где эффективная степень черноты стенки с учетом многократного повторного отражения собственного излучения стенки;

_Г - степень черноты газа, учитывающая частичное поглощение и излучение газовым слоем собственного и отраженного излучения стенки;

Т_ст - средняя температура стенки, К.

Одновременно, надо учитывать поглощенное поверхностью стен тепловое излучение газового слоя равное

.

Результирующий поток тепла при теплообмене излучением между газовым объемом и замкнутой стенкой равен разности между количеством теплового излучения поглощенного стенкой и собственным излучением стенки

,

откуда

.