Методы изучения процессов тепло- и массопереноса. Теплообмен излучением. Излучение и поглощение реальных тел, страница 18

В  промышленности  используются  газы  от  одноатомных  до  многоатомных,  с  симметричными  (О2 , N2, H2)  и  несимметричными  (СО,  Н2О,  СН4)  молекулами,  при  высоких  и  сврхвысоких  температурах.

Основными  газами,  способными  излучать  энергию  в  условиях  металлургических  печей ,  топок  и   теплообменных  аппа-ратов  являются  СО2  и  Н2О,  входящие  в  состав  продуктов  горения  топлива  и  других  технологических  газовых  смесей.  При  температурах  более 5000 К  одно-  и  двухатомные  симметричные  газы   также  способны  излучать  и  поглощать,  только  спектр  их  излучения  приходится,  как  правило,  на  ультрафиолетовую  область,  энергия,  необходимая  для  возбуждения  электронных  пе-реходов  в  атомах,  очень  велика  и  может  быть  подведена   только  при  вышеуказанных  пределах  температуры.

При  умеренных  же  температурах  могут  быть  возбуждены только  колебательные  и  вращательные  переходы,  то  есть  соответствующие  изменениям  расстояний  между   атомами  в  молекуле  и  вращениям   дипольных  молекул.  Излучение  энергии  при  этом  происходит  в  области  инфракрасной  и  дальней  инфра-красной.

Поскольку  указанные  выше  переходы  совершаются  лишь  между  « разрешенными»  уровнями,  то  есть  уровнями,  определяемыми  квантовыми  законами ,  то  энергия  фотонов  заключена  в  сравнительно  узком   интервале  длин  волн.  При  прохождении  через  газ  постороннего  излучения  энергия  поглоща-ется  лишь  в  тех  же   интервалах  частот,  волны  с  другими  длинами  проходят  через  газ,  не  поглощаясь.  Каждый  газ  имеет  свои,  характерные  для него,  интервалы  излучаемых  длин  волн ,  то  есть  излучение  и  поглощение  газов  селективно.  Размеры  полос   излучения- поглощения  меняются с  температурой  и  давлением  газа;  конфигурация  полос  сложная ( рис. 12) . Поэтому  расчет  радиационных  характеристик  газов  весьма  затруднителен.  Он  осу-ществляется  различными  методами,  самым  простым  из  которых  является  основанный  на  представлении   газов  серыми  телами,  поглощение  которых  подчиняется  закону  Бугера- Бера,  а  излучение – закону  Стефана- Больцмана.  В  этом  случае все  отклонения  от  реальной  картины  процессов  излучения-поглощения   концентрируются  в  интегральных  коэффициентах  поглощения  и  степенях  черноты.

Определение  последних  для  СО2  и  Н2О  осуществляется  по  графикам,  построенным  на  основании  экспериментальных  материалов.  Такие  графики  представлены  на  рис. 13  и  14. Здесь  в  качестве  аргументов  приняты  температура   газа   tг ,  парциальные  давления  pco2   и   pH2o ,  а  также  эффективная  длина  луча                    l э= 4h×Vг× /Fог .

Здесь  h - коэффициент,  учитывающий  форму  объема  газа  Vг,  равный  0,9 – 0.92  для  топок  и  пламенных  печей;

Fог – площадь  поверхностей,  ограничивающих  объм  газа  Vг .

Графики  соответствуют  полному  давлению  газовой  смеси     101 кПа  при парциальном  давлении  СО2 ,  равном   pсо2  и  парциальном  давлении  Н2О,  близком  к  нулю.  Для  учета  общего  давления  смеси  газов ,  отличающегося  от  101 кПа,  вводятся  поправки  ( рис. 15,  16).

Степень  черноты  газообразных  продуктов  горения  топлива   

eг = bс×eсо2  + bн×eн2о  - De

Поправка  на  наложение  спектральных  полос  СО2  и   Н2О       De  невелика  по  численному  значению  и  в  технических  расчетах  обычно  не  принимается  во  внимание.

При  машинном  расчете  лучистого  теплообмена  удобно  ис-пользовать  предложенную  А. М. Гурвичем  и  В. В. Митором   аппро-ксимацию  в  виде      закона  Бугера – Бера  [6] :

eг = 1 – exp (- kг pс l э). 

Здесь  pс = pсо2 + pн2о -  сумма  парциальных  давлений  СО2  и   Н2О;

kг -  коэффициент  ослабления  луча  в  продуктах  горения.

Если  не  принимать  во  внимание  поправку  на  наложение   спектральных  полос,  то

k  г  = , а  с  учетом  поправки   [7]

k г =   .