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 Фλ1, поглощается в слое толщиной l и выходит из слоя поток энергии Фλ2 <Фλ1 (рис. 3.7). Процесс поглощения подчиняется закону Бугера,
dФλ = - кλ Фλdx (3.28)
Падение спектрального потока излучения при прохождении через поглощающую среду пропорционально начальному потоку излучения и толщине поглощающего слоя. Здесь кλ - 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,
Аλ = (Фλ1 — Фλ2)/ Фλ1 = 1 - Фλ2/ Фλ1 (3.29)
Отношение потоков Фλ2/ Фλ1 найдем, интегрируя уравнение закона Бугера
Фλ2 = Фλ1 e- kl
С учетом полученного соотношения спектральный коэффициент поглощения принимает вид
Аλ =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 pil, где pi - 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 рСО2 и pН2О приравнивают их объемным долям.
Средняя температура стенки дымохода подсчитывается по уравнению
tст = (t'cт + tст״)/2, (3.31)
Рис. 3.8. Схема газового слоя
где t′ст, tст" - температура стенок канала соответственно у входа и выхода газа. Средняя температура газа определяется по формуле
tг = tст ± [(t′г - t′ст) – (t״г - tст")]/ln[(t′г - t′ст)/ (t״г - tст"), (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:
qизл = ε′ст σ(εг Tг4 — ε'г Tст4), (3.33)
где ε'ст = (εст + 1)/2-эффективная степень черноты стенок канала, учитывающая излучение газа; εг, εг' - 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 εг,
qг = εгσ Т4 εг = f(T, pil) (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
εг = εСО2 + εН2О - εСО2 εН2О, (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