Излучение газов

Излучение газов существенно отличается от излучения твердых тел. Поглощение и излучение газов селективное (выборочное). Газы поглощают и излучают лучистую энергию только в определенных, довольно узких интервалах ДА, длин воли — так называемых полосах. В остальной части спектра газы не излучают и не поглощают лучистой энергии.

Двухатомные газы обладают ничтожно малой способностью поглощать лучистую энергию, а следовательно, и малой способностью ее излучать. Поэтому эти газы обычно считают диатермичными. В отличие от двухатомных газов многоатомные, в том числе и трехатомные газы, обладают значительной способностью излучать и поглощать лучистую энергию. Из трехатомных газов в области теплотехнических расчетов наибольший практический интерес представляют углекислый газ (С02) и водяной пар (Н20), имеющие по три полосы излучения.

В отличие от твердых тел показатель поглощения для газов (конечно, в области полос поглощения) мал. Поэтому для газообразных тел уже нельзя говорить о поверхностном поглощении, так как поглощение лучистой энергии происходит в конечном объеме газа. В этом смысле поглощение и излучение газов называется объемным. Кроме того, показатель поглощения Ь) для газов зависит от температуры.

По закону поглощения, спектральный коэффициент поглощения тела может быть определен по (10.10):

Для газообразных тел эта зависимость несколько усложняется, поскольку на коэффициент поглощения газа влияет его давление. Последнее объясняется тем, что поглощение (излучение) протекает тем интенсивнее, чем большее число молекул встретит луч на своем пути, а объемное число молекул (отношение числа молекул к объему) прямо пропорционально давлению (при t = const).

В технических расчетах газового излучения обычно поглощающие газы С02 и Н20 (водяной пар) входят как компоненты в состав смеси газов. Если давление смеси р, а парциальное давление поглощающего (или излучающего) газа pv то в (10.10) необходимо вместо / подставить величину ptl. Величина /?,/, представляющая собой произведение давления газа на его толщину, носит название эффективной толщины слоя. Таким образом, для газов спектральный коэффициент поглощения

Спектральный коэффициент поглощения газа (в пространстве) зависит от физических свойств газа, от формы пространства, его размеров и температуры газа. Тогда в соответствии с законом Кирхгофа спектральная излу- чательность

Излучательность в пределах одной полосы спектра

Излучательность газа в замкнутом пространстве равна сумме излуча- тельностей (10.29), взятых по всем полосам спектра:

Опытные исследования показали, что излучательность газов не подчиняется закону Стефана — Больцмана, т.е. зависимости от четвертой степени абсолютной температуры. Однако для практических расчетов излучения газов пользуются законом четвертых степеней, введя соответствующую поправку в значение коэффициента черноты газа ег:

где в,. = /(Г, /;/).

Среднюю длину / пути луча определяют по формуле

где V — газовый объем; А — площадь поверхности оболочки.

По (10.29) определяют излучательность газа в свободное пространство (пустоту) (свободное пространство можно рассматривать как черное пространство при 0 К). Но газовое пространство всегда ограничено поверхностью твердого тела, в общем случае имеющей температуру Гст * Гг и коэффициент черноты ест < 1. Она (поверхность) обладает собственным излучением (обычно в пределах всех длин волн), часть которого (в пределах полос Да) поглощается газом. Поэтому излучательность газа, компонентами которого являются С02 и Н20 (газообразные продукты сгорания), к оболочке серого тела находят по формуле

в которой последний член е'(Гст /100)4 учитывает собственное излучение оболочки.

Коэффициент черноты газа при температуре газа tr составит

где р — поправочный коэффициент на парциальное давление водяного пара.

Значения степени черноты есс,2 и еН20 в зависимости от температуры при различных значениях параметра р{1 приведены на рис. 10.5,10.6. Поправочный коэффициент (3 определяют по графику, приведенному на рис. 10.7.

Зависимость коэффициента теплового излучения от температуры для С0

Рис. 10.5. Зависимость коэффициента теплового излучения от температуры для С02

Полосы излучения и поглощения для С02 и Н20 несколько перекрывают одна другую, в связи с чем часть энергии, излучаемой одним газом, поглощается другим. Поэтому коэффициент черноты смеси углекислого газа и водяного пара при температуре стенки

268

где Аег— поправка, учитывающая указанное поглощение. Для газообразных продуктов сгорания обычного состава поправка Дег составляет всего 2—4%, и ею можно пренебречь.

Зависимость коэффициента теплового излучения от температуры для Н0

Рис. 10.6. Зависимость коэффициента теплового излучения от температуры для Н20

В (10.33) входит так называемый эффективный коэффициент черноты оболочки е'т, больший, чем ест, в связи с наличием излучающего газа. Можно принять, что при ест = 0,8-И,0 эффективный коэффициент черноты оболочки е'т = 0,5(ест+ 1).

Поправочный коэффициент р на парциальное давление водяного пара

Рис. 10.7. Поправочный коэффициент р на парциальное давление водяного пара

Указанные особенности излучения и поглощения газов позволяют установить механизм так называемого парникового эффекта, который оказывает существенное влияние на формирование и изменение климата Земли. Большая часть солнечной радиации проходит сквозь атмосферу и нагревает поверхность Земли. В свою очередь, Землей испускается инфракрасное излучение, в результате чего она охлаждается. Однако часть этого излучения поглощается многоатомными (парниковыми) газами атмосферы, которая вследствие этого играет роль «одеяла», удерживающего теплоту. При этом наибольшее влияние на глобальное потепление оказывают такие парниковые газы, как двуокись углерода (55%), фреоны и родственные им газы (25%), метан (15%) и др.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >