2.3.4 Випромінювання газів

Випромінювання газоподібних тіл різко відрізняється від випромінювання твердих і рідких тел. Випромінювання твердих і рідких тіл залежить, у першу чергу, від стану поверхні тіла, а гази випромінюють енергію по всьому об’єму, тобто у випромінюванні беруть участь усі частки газу.

Одно- і двоатомні гази (О₂, N₂, Ar, He й ін.) мають зовсім малу випромінювальну здатність і коефіцієнт поглинання. Ці гази вважаються прозорими для теплових променів. Три- і багатоатомні гази (H₂O, CO₂, NO₂, SO₂ й ін.) мають значну випромінювальну здатність, а отже, і коефіцієнт поглинання.

На відміну від твердих тіл гази випромінюють і поглинають енергію тільки на певних довжинах хвиль, тобто випромінювання має селективний характер, і спектр випромінювання не є безперервним. Це явище використовують для визначення складу газів.

Найбільший інтерес викликають дані про випромінювання CO₂ і водяної пари, які утворюються при спалюванні палива. Інтенсивністю їх випромінювання, в основному, визначається теплообмін між розпеченими газоподібними продуктами згорання і тілами, що обігріваються, в топках і печах.

Так як гази випромінюють і поглинають випромінювання по всьому об’єму, то інтенсивність випромінювання газів залежить від парціального тиску газу Р і товщини газового шару l. Зазвичай коефіцієнти теплового випромінювання газів ε наводять у виді залежності ε від добутку Рl.

Величина l являється одночасно і товщиною газового шару, і довжиною шляху променя, який пронизує газовий об’єм. На рисунках М.1 і М.2 додатка М наведено залежності коефіцієнтів теплового випромінювання двооксиду вуглецю ε(СО2) і водяної пари ε(Н2О) від температури при різних значеннях Рl.

Для водяної пари у зв’язку зі здатністю її молекул до асоціації вплив Р(Н2О) є більшим ніж l, тому значення ε(Н2О), знайдене за номограмою

(див. рис. М.2 додатка М), слід помножити на поправковий коефіцієнт β

(рис. М.3 додатка М), який залежить від парціального тиску Р(Н2О).

Двооксид вуглецю і водяна пара зазвичай містяться у топкових газах одночасно. У цьому випадку коефіцієнт випромінювання цих газів визначається за рівнянням

ε_г=ε(СО₂)+ β ε(Н₂О). (2.185)

У газах в топкових пристроях можлива наявність золи і сажі, що значною мірою збільшує коефіцієнт випромінювання об’єму, і має враховуватися окремо.

Товщину шари l газового об’єму, що випромінює, визначають за спеціальними рекомендаціями, яки наводяться в довідковій літературі.

Розрахунок теплообміну випромінюванням між газом і стінками каналу є дуже складним і виконується за допомогою цілого ряду графіків і таблиць. Більш простий і цілком надійний метод розрахунку було розроблено Шаком. Він запропонував рівняння для поверхневої густини променистого потоку газів у середовищі з температурою 0 К:

E_{ÑÎ 2}  8,78 ³ P^l100T _^3,5_, (2.186)

3

E_{Í 2}Î  87,8 P^0,8l^0,6 100T ^_ , (2.187)

де Р – парціальний тиск, МПа; l – середня товщина шару газу, м;

Т – середня температура газів, К.

За цими же рівняннями обчислюється променистий потік, який поглинається газами від стінок каналу, але тоді підставляється середня температура стінок каналу.

Поверхневу густина променистого потоку, який сприймається стінками каналу в результаті теплообміну випромінюванням між газом і стінкою, знаходиться за рівнянням

Е_випр = (Е_г – Е_ст), (2.188)

де Е_г – поверхнева густина променевого потоку, який випромінюється вуглекислим газом і водяною парою при середній

температурі газу;

Коефіцієнт рівнянням

тепловіддачі випромінюванням визначається за Eâèïð âèïð  , (2.189) Òã Òñò

Е_ст – поверхнева густина променевого потоку, який поглинається вуглекислим газом і водяною парою при середній температурі стінок каналу.

де Т_г і Т_ст – абсолютні температури газу і стінки, К.

Для практичних розрахунків при визначенні теплообміну між газом і стінками каналу можна використовувати також наступне рівняння

Eâèïð  'ñò Cs ã Tã 4 'ãTñò 4  , (2.190)

_ 100 100 _

де ε’_ст – наведена ступінь чорноти стінки, яка враховує внутрішнє

випромінювання газів, розраховується за рівнянням

^'_ñò  ^{ñò  1}; (2.191)

2

Т_г – середня температура газу, К;

Т_ст – середня температура стінок каналу, К;

ε’_г – ступінь чорноти газу при температурі стінок каналу, визначається за рівнянням (2.185);

ε_г – відношення поверхневої густини променевого потоку газу до поверхневої густини променевого потоку абсолютно чорного тіла, тобто ε_г=Е_г/Еs, ε_г визначається за рівнянням

ε_г=ε(СО₂)+ β ε(Н₂О)-ε_г, (2.192)

де величини ε(СО2), ε(Н2О) і β визначаються за графіками М.1, М.2 і М.3 додатка М,

ε_г – поправка, що враховує взаємне поглинання енергії випромінювання газами, для димових газів вона зазвичай дорівнює 2…4%, тому її не враховують.

Потім Е_випр використовують для визначення коефіцієнта тепловіддачі випромінюванням за рівнянням (2.189).