29. Особенности излучения и поглощения энергии газами. Излучение многоатомных газов. Тепловой поток и коэффициент теплоотдачи при излучении.

Различают несветящиеся и светящиеся газовые среды. Свечение газовой среды обусловливается наличием в ней раскаленных частиц сажи, угля, золы. Такое светящееся пламя называют факелом. Излучение факела определяется главным образом излучением содержащихся в нем твердых частиц. Присутствие в газовой среде значительного количества мелких взвешенных твердых частиц делает эту среду мутной.

Мутные среды характеризуются существенным рассеива-яием лучистой энергии.

Несветящаяся газовая среда, к которой относятся чистые газы и пары.

Одно- и двухатомные газы практически прозрачны для теплового излучения. Значительной излучающей и поглощающей способностью, имеющей практическое значение, обладают трех- и многоатомные газы. Для теплотехнических расчетов наибольший интерес представляют углекислый газ и водяной пар, образующийся при горении топлива.

В отличие от твердых и жидких тел излучение газов носит объемный характер, так как в нем участвуют все микрочастицы газа. Поэтому его поглощательная способность зависит от плотности и толщины газового слоя. (А_λ=f₁(T, ρ,l))С увеличением плотности и толщины слоя газа его поглощательная способность увеличивается. Они поглощают и излучают только в определенных иитервалах длин волн. В остальной части спектра они являются прозрачными Так, для СО₂ и Н₂О можно выделить по три основные полосы поглощения,которые частично совпадают. Двуокись углерода обладает относительно узкими полосами поглощения, водяной пар характеризуются большей шириной. Вследствие этого поглощательная способность и степень черноты водяного пара существенно больше, чем двуокиси углерода.

С увеличением температуры ширина полос увеличивается, а поглощательная способность уменьшается, так как уменьшается плотность газа. Влияние расширения полос преобладает над влиянием уменьшения поглощательной способности так, что в результате имеет место повышение энергии излучения с увеличением температуры газа.

Плотность собственного интегрального изл-я по опытным данным выражается соотношениями

Излучение медленно ↑с ростом толщины слоя и быстрее с ростом температуры. чение при относительно малой толщине слоя. Излучение медленно увеличивается с ростом толщины слоя и быстрее с температурой.

Отсюда следует, что законы излучения газов значительно отклоняются от закона Стефана — Больцмана. Однако в основу практических расчетов излучения газов положен именно этот закон. В итоге плотность интегрального излучения с поверхности газового слоя определяется уравнением

, где ε_г— степень черноты газового слоя, зависящая от температуры, давления и толщины слоя газа. Для Н2О и СО2 значения ε_г приводятся в виде номограмм, удобных для практических расчетов. Степень черноты газовых смесей определится как сумма степеней черноты отдельных компонентов. Плотность лучистого потока, передаваемого от газа к окружающим его стенкам (оболочке), вычисляется по уравнению

, где ε_г — степень черноты газа при температуре газа Т_г; А_г — поглощающая способность газа при температуре оболочки Т_ст; — эффективная степень черноты оболочки.

5) Теплопроводность через многослойную плоскую стенку. Тепловой поток и термическое сопротивление и температуры на границе слоев.

Рассмотрим распространение теплоты теплопроводностью в многослойной плоской стенке, состоящей из трех плотно прилегающих друг к другу слоев.

Очевидно, что в случае стационарного температурного поля тепловой поток, проходящий через поверхности одинаковой площади А, будет для всех слоев одним и тем же.

Поэтому для каждого из слоев может быть использовано уравнение: .

Для первого слоя , для второго и третьего слоев ; , где -теплопроводности и толщины слоев

На наружных границах трехслойной стенки считаются известными температуры и . По плоскостям раздела слоев устанавливаются температуры и , которые рассматриваются как неизвестные. Написанные выше уравнения решим относительно разностей температур:

, , (1)

а затем почленно сложим и тем самым исключим неизвестные промежуточные температуры: или :

, обобщая эту формулу для n-слойной стенки, получим: (2)

Для определения промежуточных температур , , по плоскостям разделов слоев используем формулы (1): ;

Обобщая вывод на n-слойную стенку, получим формулу для температуры на границе i-го и (i+1)-го слоя:

Иногда пользуются понятием об эквивалентной теплопроводности . Для поверхностей плотности теплового потока, проходящего сквозь плоскую многослойную стенку, напишем выражение: (3), где -суммарная толщина всех слоев многослойной стенки. Сравнивая выражения (2) и (3), заключаем, что . На рисунке в виде ломанной линии изображен график изменения температуры по толщине многослойной стенки. В пределах слоя изменение температуры следует линейному закону. Тангенс угла наклона α температурной прямой к горизонтали равен: , т.е. абсолютному значению температурного градиента gradt. Т.о. по наклону прямых ab, bc, cd можно судить о значении температурного градиента в том или ином слое. Кроме того, по закону Фурье, , следовательно, , т.е. температурные градиенты для отдельных слоев многослойной плоской стенки обратно пропорциональны теплопроводностям этих слоев. Это значит, что для получения больших температурных градиентов (что требуется, например, при изоляции паропроводов и т.п.) необходимы материалы с малыми значениями теплопроводности.

6) Теплопроводность через многослойную цилиндрическую стенку. Тепловой поток и термическое сопротивление и температуры на границе слоев.

Рассмотрим распространение теплоты теплопроводностью в трехслойной цилиндрической стенке (трубе) с внутренним диаметром и наружным диаметром . Промежуточные диаметры отдельных слоев и . Известными считаются температура врутренней и температура наружной поверхности. Подлежит определению линейная плотность теплового потока и температуры и на границах слоев. Составим для каждого слоя уравнение вида:

, , (1)

Решим эти уравнения относительно разностей температур, а затем, почленно складывая, получим: . Из этой формулы имеем расчетное выражение для определения линейной плотности теплового потока для трехслойной стенки: . Обобщим данную формулу на n-слойную стенку трубы: , где i-порядковый номер слоя

Из уравнений (1) находим выражения для определения температуры на границах промежуточных слоев: ;

Температуру на границе i-го и (i+1)-го слоя можно определить по аналогичной формуле:

При расчете тонкостенных труб допускается с некоторой погрешностью пользоваться формулами, выведенными для плоской стенки. Принимая площадь поверхности трубы , а толщину стенки , получим приближенную формулу для определения линейной плотности теплового потока: (2). Расчет по данной формуле дает несколько большее значение для , чем по точной формуле . Погрешность зависит от отношения и погрешность тем больше, чем больше это отношение. Если, например, считать допустимым относительную погрешность в 0,5% при определении линейной плотности теплового потока , то при всех значениях , т.е. для тонкостенных труб (труб паровых котлов, конденсаторов и т.п.) можно пользоваться более простой формулой (2).