Особенности излучения и поглощения энергии газами

Газы обладают способностью излучать и поглощать тепловую энер­гию. Одно- и двухатомные газы (N₂, O₂, H₂ и др.) практически прозрачны (диатермичны) для тепловых лучей. Значительной излучательной и поглощательной способностью обладают многоатомные газы (СО₂, Н₂О, SO₂, NH₃ и др.).

Наличие в газовой среде мелких взвешенных твердых частиц делает эту среду мутной. Светящаяся высокотемпературная мутная среда с час­тицами сажи, угля, золы называется факелом.

Излучение и поглощение мутной среды носит объемный характер.

Рис. 3.7. Схема поглощения

Поглощением называется процесс превращения энергии излучения во внут­реннюю энергию поглощающей среды. Пусть на тело падает поток спектральной энергии Ф_λ1, поглощается в слое толщи­ной l и выходит из слоя поток энергии Ф_λ2 <Ф_λ1 (рис. 3.7). Процесс поглощения подчиняется закону Бугера,

dФ_λ = - к_λ Ф_λdx (3.28)

Падение спектрального потока из­лучения при прохождении через поглощающую среду пропорциональ­но начальному потоку излучения и толщине поглощающего слоя. Здесь к_λ - спектральный коэффициент ослабления, характеризующий относительное падение спектрального потока излуче­ния при прохождении его через слой единичной толщины. Знак «минус» отражает факт падения потока энергии при увеличении толщины погло­щающего слоя.

Спектральный коэффициент поглощения определяется отношением поглощенной энергии ко всей падающей,

А_λ = (Ф_λ1 — Ф_λ2)/ Ф_λ1 = 1 - Ф_λ2/ Ф_λ1 (3.29)

Отношение потоков Ф_λ2/ Фλ1 найдем, интегрируя уравнение закона Бугера

Ф_λ2 = Ф_λ1 e^{- kl}

С учетом полученного соотношения спектральный коэффициент по­глощения принимает вид

А_λ =1 – e^{- kl} (3.30)

С увеличением плотности (концентрации компонентов) и толщи­ны слоя газа его способность к поглоще­нию и излучению энергии возрастает (см. рис. 3.8). Это явление зависит от эффективной толщины слоя газа p_il, где p_i - парциальное давление; l - средняя длина луча в пределах газового слоя, например, для газового объема в форме куба с ребром а величина l =0,6 a, для бесконечно длинного цилиндра диаметром d величина l =0,9 d.

При расчете теплообмена между продуктами сгорания и стенками канала дымохода давление обычно принимают равным 1 бар, поэтому парциальные давления трехатомных газов р_СО2 и p_Н2О приравнивают их объемным долям.

Средняя температура стенки дымохода подсчитывается по уравнению

t_ст = (t'_cт + t_ст^״)/2, (3.31)

Рис. 3.8. Схема газового слоя

где t^′_ст, t_ст" - температура стенок канала соответственно у входа и выхо­да газа. Средняя температура газа определяется по формуле

t_г = t_ст ± [(t′_г - t^′_ст) – (t״_г - t_ст")]/ln[(t′_г - t^′_ст)/ (t״_г - t_ст"), (3.32)

где t′_г, t״_г — температура газа соответственно у входа и у выхода из кана­ла; знак плюс берется в случае охлаждения, а минус - в случае нагрева­ния газа в канале.

Расчетное уравнение теплообмена излучением между газом и стен­кой канала имеет следующий вид:

q_изл = ε′_ст σ(ε_г T_г⁴ — ε'_г T_ст⁴), (3.33)

где ε'_ст = (ε_ст + 1)/2-эффективная сте­пень черноты стенок канала, учиты­вающая излучение газа; ε_г, ε_г' - степе­ни черноты газа соответственно при температуре газа и стенок канала.

Рис. 3.9. Селективное излучение газа

Излучение газов носит избира­тельный (селективный) характер (рис. 3.9). В нижеследующих табл. 3.1, 3,2 представлены интервалы селектив­ного излучения для продуктов сгора­ния углеводородных топлив.

Таблица 3.1 Интервалы селективного излучения для СО₂

№ интервала	λ1 мкм	λ2, мкм	δλ, мкм
	2,4	3,0	0,6
	4,0	4,8	0,8
	12,5	16,5	4,0

Таблица 3.2 Интервалы селективного излучения для Н₂ О

№ интервала	λ1, мкм	λ2, мкм	δλ, мкм
	1,7	2,0	0,3
	2,2	3,0	0,8
	4,8	8,5	3,7

Газы поглощают и излучают энергию только в определенных интер­валах длин волн Δλ, за пределами этих интервалов газы диатермичны.

Рис. 3.10. Полосы излучения Н2О и СО2

В расчетах условно принимают плотность теплового потока по закону Стефана-Больцмана, однако вводят поправку через степень черноты газо­вого слоя ε_г,

q_г = ε_гσ Т⁴ ε_г = f(T, p_il) (3.34)

Средняя длина пути луча опреде­ляется по формуле l = 3,6 V/S, где V - объем, S - площадь поверхности газо­вого объема.

Наиболее хорошо изучен теплооб­мен в смеси продуктов сгорания углеводородных топлив Н₂ 0 и С0₂. Для этой смеси степень черноты определяется по формуле

ε_{г =} ε_СО2 + ε_Н2О - ε_СО2 ε_Н2О, (3.35)

в которой степени черноты СО₂ и H₂O зависят от температуры и эффектив­ной толщины газового слоя и определяются из графиков (рис. 3.11, 3.12).

Искусственное повышение степени черноты газового слоя назы­вается карбюрацией. Карбюрацию факела применяют при нагреве внутреннего пространства мартеновской печи. Для этого в топливо добавляют богатые углеводородами мазут или смолу, при сжигании которых в условиях

недостатка кислорода происходит крекинг (раз­ложение) углеводородов с выделением большого количества мельчайших частичек (до 10⁶ в 1 см³) сажистого углерода диаметром 0,5...3 мкм. При этом степень черноты факела пламени с сажистыми частицами увеличивается в 3-4 раза

О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 °С

Рис. 3.11. Зависимость степени черноты углекислого газа от температуры и эффективной толщины газового слоя

О 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 °С

Рис. 3.12. Зависимость степени черноты паров воды от температуры и эффективной толщины газового слоя