Теория тепломассообмена Э.Р. Эккерт Р.М. Дрейк под ред. Лыкова (1013696), страница 71

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 71)

Полезное соотношение было получено также Э. Шмидтом и Э, Эккертом 1Л. 249) для коэффициента в/е . Кривые на,рис. !3-15 построены по данным теории для проводников и непроводников. Точки показывают результаты измерений. Как видно из графика, теоретические и экспериментальные данные находятся в хорошем согласии. Вычисления также показывают, что для 'больших углов р излучение, испускаемое или поглощаемое поверхностью металла, 30 — Зов 465 очень сильно поляризуется.

Значительно преобладает колебание волн в направлении, параллельном плоскости падения (плоскости, проходящей через падающий луч и перпендикуляр к поверхности). Это можно легко понять на основании качественных соображений. Проводник электричества характеризуется тем, что его электроны очень подвижны. Если электрическая волна ударится о поверхность в перпендикулярном направлении, то электроны без труда могут последовать за колеблю- аа ду п аг а ан аг ап Рис. 13-15. Теоретические и экспериментальные значения отношения полусферической излучательной способности н нормальной 1Л. 382). щимся электрическим полем, благодаря чему поле внутри проводника не вози~икает. Это означает, что волна отразится от поверхности.

Такое же положение будет, когда волна падает (отражается) под углом р, пока плоскость, в которой она колеблется, перпендикулярна плоскости падения. Если бы колебания происходили в плоскости падения, то электронам вблизи поверхности пришлось бы проникнуть через поверхносгь, чтобы последовать за колеблющимся электрическим полем.

Так как они не могут этого сделать, то большая часть пада1ощей волны проникает внутрь проводника, 46р Для непроводников эта теория связывает нзлучательные свойства с показателем преломления. Это соотношение не всегда может быть использовано, так как для про. мышленных материалов пока~затели преломления обычно неизвестны.

Однако теория позволяет также вычислить пространственное распределение испускаемого излучения, причем результаты вычисления хорошо согласуются с экспериментальными данными и, таким образом, приводят к соотношениям, указанным на рис. 13-15. В основе метода определения поглощательной способности поверхности металла для падающего черного излучения по ее излучательной способности, которая выражается уравнениями (13-24) и (13-15), также лежит электромагнитная теория. 13-3.

ГАЗЫ Газы обычно испускают и поглощают излучение, теряя или приобретая энергию, содержащуюся внутри молекул. Такие колебания энергии могут быть вызваны изменениями вращательного движения молекул или вибрации атомов внутри молекулы, изменением орбит электронов и, наконец, изменением положения ядер. Они происходят квантами, определенными порциямн; величина энергии одной порции будет наименьшей для изменений вращения и наибольшей для изменений расположения ядра. Согласно уравнению Планка (13-17) излучение, связанное с меньшим квантом, имеет меньшую частоту или ббльшую длину волны. Чем больше порция энергии, тем меньше длина волны соответствующего излучения. Излучение называется тепловым излучением, когда газ, по крайней мере в отдельных местах, близко приближается к состоянию теплового равновесия.

Изменение энергии молекул вызываетгя столкновениями, которые обладают значительной кинетической энергией. Чем выше температура, тем больше энергия кванта, которая может быть освобождена при столкновениях молекул, и, следовательно, тем короче длина волны испускаемого излучения. При температурах в интервале до 2760'С, которые встречаются в нормальных промышленных условиях, величина излучения связана с изменениями энергии вращения и вибрации молекул.

Соответствующее излучение имеет длины волн в интервале 1 — 30 мк (см. рис. !3-5). Благодаря изменениям орбит электронов излучение перемещается в видимую часть. Это излучение вносит существенный вклад в общую энергию 30* 467 только при очень высоких температурах, близких к температуре Солнца. Изменения в ядрах в конечном итоге приводят к тому, что волны излучения становятся чрезвычайно короткими (см. рис. 13-1).

В этом разделе будет рассматриваться только инфракрасное излучение. Атомы при своем вращательном и колебательном движении ведут себя, как маленькие передатчики электромагнитных волн, так как с ними обычно связаны электрические заряды. % га га 13 /л Е 3 4 Х б 7 о у lд Ч Ге' /и" 13р. Рис. 13-!6. Полосы иоглощеиии углекислоты, з — з сл; г — з; з — е,з; е — ио гл. Газы, которые состоят из атомов одного и того же рода, характеризуются тем, что атомы не обладают зарядами свободного ~электричества. Такие газы, как водород, кислород и азот, не излучают тепловой энергии и совершенно прозрачны для тепловых лучей, излучаемых каким-нибудь посторонним телом.

Для технических расчетов большое значение имеет тепловое излучение углекислого газа и водяных паров, так как оба эти газа являются хорошими излучателями и присутствуют в больших количествах в газообразных:продуктах горения. Окись углерода, сернистый ангидрид и метан также хорошо излучают тепловую энергию, но присутствуют обычно в небольших концентрациях.

На рис. !3-16 и 13-17 показаны спектры поглощения углекислоты и водяного пара. Из этих рисунков видно, что газы ведут себя не так, как твердые и жидкие тела, поскольку они излучают и поглощают лучистую энергию лишь определенных узких областей спектра. Для водяного пара эти области лежат сравнительно близко друг к другу. Излучение происходит главным образом в области с длиной волн более 1 лгк, поэтому оно невидимо для глаза. Из ри- 468 буйков также видно, что в отличие от твердых и жидких тел для поглощения большей части падающего излучения необходим очень толстый слой газа. Если монохроматический пучок обладает интенсивностью В„после прохождения расстояния з в абсорбируюшем газе, то величина дВ„, на которую уменьшается ва а,.

55 Гд а а а я l м г Г вп 75гд 45 А 55 га а 5' 5 М Н гд эта,и Ряс. 13-17. Полосы поглощевяя водяного пара !Л. 384]. интенсивность благодаря поглощению на следующем отрезке пути 515, выражается уравнением нв„ В (!З-З!) 489 Показатель степени а„называется коз ф ф и ци е нтом п огл о щения. Можно предположить, что ах в первом приближении пропорционально количеству молекул на единицу объема и увеличивается с температурой.

Из рис. 13-16 и 13-17 видно, что а„ также сильно зависит от длины волны. Количество молекул при постоянной температуре пропорционально давлению. В действительности было обнаружено, что коэффициент поглощения увеличивается с давлением сравнительно быстрее, чем линейно.

Можно было бы предполагать, что в смеси абсорбирующего газа с неабсорбируюшим коэффициент абсорбции окажется пропорциональным парциальному давлению абсорбируюшего газа, уравнение (!3-31) можно проинтегрировать, когда тем'- пература и концентрация абсорбирующего газа в газовой — ахи смеси постоянны. В результате В„= Вы е ", где В„,— интенсивность, с которой пучок излучения попадает в газ (при э=О). Согласно определению коэффициент пропускания слоя единичной толщины, пропускательная способность газового слоя толщиной з, есть (13-32) Р„=е и поглощательная способность А„=1 — е (13-33) Такое же уравнение в соответствии с законом Кирхгофа выражает излучательную способность,„.

Следует отметить, что излучательные свойства Р„, А„ и «„ определялись для газа несколько отлично от того, как они определялись для твердых тел и жидкостей, для которых за исходную величину принималась энергия излучения Н, падающая на поверхность. ,В уравнениях же (13-32) и (13-33) исходной величиной является лучистая энергия В, проникающая из поверхности раздела в газ.

Разница, однако, очень мала, так как отражательная способность поверхности раздела «газ — вакуум» или «газ — газ» очень мала. На основе рассуждений, касающихся параметров, от которых зависит коэффициент поглощения, можно предположить, что монохроматический коэффициент пропуокания, поглощательная способность и излучательная способность зависят при данной температуре главным образом от произведения толщины слоя з на давление р или парциальное давление р абсорбирующего и излучающего газов. Эту зависимость иногда называют законом Бэра. Ниже будет показано, что этот закон можно рассматривать только как приближенный.

При практических расчетах теплообмена важно знать общее количество тепла, испускаемого в виде лучистой энергии всего спектра. После того как А. Шак 1Л. 250) подчеркнул важность излучательной способности газов для процессов теплообмена в топках и паровых котлах, в этой области было проделано много экспериментальных исследований 1Л. 251 и 252). 470 высоких парциальных давлений водяного пара, но оказываются гораздо более низкими для небольших парциальных давлений.

Характеристики

Список файлов книги