Файл: Учебное пособие Томск 2001 удк.doc

4.2. Особенности излучения газов

Одно- и двухатомные газы прозрачны для теплового излучения. Излучающей и поглощающей способностью обладают трех- и многоатомные газы.

В практике теплотехнических расчетов наиболее распространенными трехатомными газами являются углекислый газ (СО₂)и водяные пары (Н₂О).

Газы излучают и поглощают энергию каждой молекулой, число которых прямо пропорционально давлению газа и толщине газового слоя (в отличие от твердых тел, где излучает и поглощает только поверхностный слой молекул). Таким образом, излучение и поглощение газов зависит от температуры (Т), давления (р) и толщины газового слоя, характеризуемого длиной пути луча ( ).

Газы излучают и поглощают энергию только в определенных интервалах длин волн (∆λ), называемых полосами излучения. Для лучей других длин волн, вне этих полос, газы прозрачны.

В табл. 4.1 приведены полосы излучения для СО₂ и Н₂О.
Таблица 4.1

СО2		Н2О
∆λ, мкм	Ширина интервала	∆λ, мкм	Ширина интервала
2,4 – 3,0 4,0 – 4,8 12,5 – 16,5	0,6 0,8 4,0	1,7 – 2,0 2,2 – 3,0 4,8 – 8,5 12 - 13	0,3 0,8 3,7 18

Из табл. 4.1 видно, что полос для Н₂О больше и они шире. С ростом температуры излучение газов смещается в коротковолновую область, где ширина полос меньше. Следовательно, интенсивность излучения газов с ростом температуры уменьшается.

Степень черноты газа (_г) – это отношение собственного излучения газов к излучению абсолютно черного тела при температуре газа:

(4.31)

---

Степени черноты для СО₂ и Н₂О определяются по номограммам

	(4.32)
	(4.33)

где - парциальные давления.

Степень черноты газовой смеси СО₂ и Н₂О находится по формуле

(4.34)

где - поправочный коэффициент, определяемый из номограммы.

Длина пути луча для газовых объемов рассчитывается по уравнению

(4.35)

где V, м³ – объем газа; F, м² – площадь поверхности, омываемой газом.

Для пучков труб, омываемых излучающими газами, длина пути луча рассчитывается по формуле

(4.36)

где d₂ - наружный диаметр трубы; s₁,s₂ - поперечный и продольный шаги труб.

Номограммы для определения имеются в [5], [7].

Уравнения для расчета собственного излучения газов и их смеси согласно (4.31) – (4.33) запишутся в виде

	(4.37)
	(4.38)
	(4.39)

---

Т еплообмен излучением между газом и поверхностью (стенкой), рис. 4.8, или поверхностью трубного пучка рассчитывается по формуле

(4.40)

где _с, F_c – степень черноты и площадь поверхности стенки, омываемой газом; А_г – поглощательная способность газа при температуре поверхности (Т_с), которая рассчитывается по формуле

(4.41)

где и определяются по тем же номограммам, что и

Контрольные вопросы, задания и задачи
для самостоятельного решения

1. 
   Сравните степени черноты снега и сажи. Поясните результат сравнения.
   

2. 
   Рассчитайте плотность теплового потока, передаваемого излучением (q, Вт/м²) от батареи отопления с температурой поверхности t_c=60^oC и степенью черноты _с=0,9. Температура окружающего воздуха t_ж=20^oC.
   

Ответ: q=251,4 Вт/м².

3. 
   Рассчитайте плотность теплового потока (q, Вт/м²), передаваемого через ваккуумированный зазор двойной стенки колбы термоса при условии, что температуры поверхностей стенок t₁=100^oC, t₂=20^oC, степени черноты поверхностей ₁=₂=0,05.
   

Какой толщины должен быть слой тепловой изоляции из войлока (λ_в=0,0524 Вт/м∙К), чтобы компенсировать потери тепла излучением?

Ответы: q=17,43Вт/м², δ_из=239 мм.

4. 
   Проанализируйте формулы для _пр (4.25) и (4.30) при наличии между поверхностями одного экрана и ответьте на вопрос: как зависит лучистый поток от расстояния между нагретой поверхностью и экраном:
   

а) для двух параллельных плоских поверхностей;

б) для системы тел, одно из которых расположено внутри другого?

5. 
   Через стенку толщиной δ (рис. 4.9) теплота передается теплопроводностью (q_т, Вт/м²), от поверхности стенки в окружающую среду – путем конвективного теплообмена (q_к,) и излучением (q_л,).
   

---

И звестны коэффициент теплопроводности стенки (λ), степень черноты поверхности (), температуры t₁, t₂, t_ж, коэффициент теплоотдачи .

Запишите формулы для расчета тепловых потоков q_т ,q_к ,q_л

q=q_т=q_к+q_л.

6. 
   От каких факторов зависит излучение (поглощение):
   

а) твердых тел;

б) газов?

Примеры решения задач

Задача № 1. Определить потери теплоты излучением с 1 м длины паропровода (Q_ℓ, Вт/м), если его наружный диаметр d=0,3 м, степень черноты
= 0,9, температура поверхности t_с=450^oC, температура окружающей среды t_ж=20^oC.

Какими будут потери теплоты излучением (Q΄_ℓ, Вт/м), если паропровод поместить в оболочку из жести диаметром d_об=0,4 м, степенью черноты _об=0,6?
Решение

При излучении паропровода в неограниченное пространство потери теплоты согласно уравнению (4.29) составят



При наличии оболочки потери теплоты излучением рассчитываются согласно (4.26) и (4.27), по формулам

	(4.42)
	(4.43)

Температуру оболочки (Т_об) найдем из уравнения теплового баланса лучистой энергии в системе "паропровод – экран – окружающая среда"

(4.44)

По уравнению (4.43) находим _пр=0,621, по уравнению теплового баланса (4.44) рассчитываем температуру оболочки t_об=320^оС и по уравнению (4.42) находим потери тепла от экранированного паропровода Q΄_ℓ

---

=4962Вт/м. Потери тепла излучением уменьшились в Q_ℓ / Q΄_ℓ =12781/4962=2,58 раз.
Задача № 2. Определить степень черноты и плотность потока излучения смеси газов (О₂ , N₂ , СО₂), транспортируемых по трубе диаметром d₁=200мм. Температура газов t_г=800^оС, парциальное давление углекислого газа
р_СО2 =0,09бар.

Решение

Из трех газов излучающим (и поглощающим) является только углекислый газ (СО₂).

Степень черноты углекислого газа, =f(t_г, р_СО2 · ), определим из номограммы, приведенной в [5], с.211. Длину пути луча для трубы найдем по формуле



Произведение ∙ =0,9∙1,02∙18=1,65см∙(кг/см²).

Из номограммы находим =0,062.

Плотность потока собственного излучения углекислого газа вычисляется по формуле

---