Григорьев В.А., Зорина В.М. - Тепло- и массообмен. Теплотехнический эксперимент. Справочник (1982) (1062114), страница 54
Текст из файла (страница 54)
Фотоны других частот (энергий) пролетают газовый объем без взаимодействия с веществом. Так осуществляется процесс поглощения лучнстойзнергии в объеме газа. Одновременно с процессом поглощения энергии происходит обратный процесс — излучения энергии объемом газа. Вследствие хаотического теплового движения газовых молекул, их вращения, колебаний атомов отдельные многоатомиые молекулы газа получают избыток энергии по сравнению со средним его уровнем. Избыток энергии может затем самопроизвольно излучаться в форые «рождающихся» фотонов в окружающее пространство. Зтот механизм определяет собственное излучение газового объема, В связи с тем что в любом макроскопически малом объеме газа его состояние обычно весьма близко к термодинамически равновесному состоянию, каждый элементарный объем газа излучает фотоны по всем направлениям пространства с примерно одинаковой интенсивностью.
Иначе говоря, пространственное распределение собственного излучения элемента газового объема имеет обычно характер, близкий к изотропиому. Основа тепло- и массообмгна 200 Равд, 2 2.!4.2. ОСНОВНОЙ ЗАКОН ПЕРЕНОСА ЛУЧИСТОЙ ЭНЕРГИИ В ИЗЛУЧАЮЩВ-ПОГЛОЩАЮПГЕЙ СРЕДЕ Протекающие одновременно процессы поглощения и излучения определяют структуру осноаного закона переноса лучистой энергии г иэлучиюща-поглощающей среде Й,= „(1,— 1,)Й, (2.205) где 1 — спектральная интенсивность излучения в направлении оси 1; а„ вЂ” спектральный коэффициент поглощения, определяемый как относительное уменьшение спектральной интенсивности излучения иа единице длины пути луча. Этот коэффициент представляет собой физическую характеристику газа и зависит от его природы, температуры, давления, а также частоты излучения у; вне полос излучения-поглощения спектра ич 0; обратная величина 1/и„ равна средней длине пробега фотонов с энергией йу до момента их поглощения; Е~ 2йчэ 1 и сй ехр (Ьч/ЕТ) — ! — спектральная интенсивность излучения абсолютно черного тела при температуре газа внутри элементарного объема пространства.
Соотношение (2.205) представляет уравнение энергетического баланса для элементарного объема пространства в форме цилиндра длиной Й и единичной площадью основания (рнс. 2.32). Произведение в правой части уравнения (2.205) ич /о Й вЂ” увеличение спектральной интенсивности излучения на длине Й вследствие вклада собственного излучения газа, происходящего внутри контрольного элемента объема, а — ич 1„ Й— уменьшение спектральной интенсивности излучения по длине Й из-за поглощения падающего внешнего излучения внутри контрольного элемента объема.
Частные случаи уравнения (2.205): !. Лучистое равновесие (!о — — /„в каждой точке газового объема, Ы /Й = О, температура газа в объеме постоянна). 2. Чисто поглощающий изотермический плоский слой газа; температура газа поддерживается постоянной и столь низкой, что собственное излучение всюду сущест- У вЂ” — м. Рис. 2.32. Изменение интенсивности излучения в излучающе-поглощающей среде на длине Й.
некио меньше внешнего (/о (( 1, ). Внешнее излучение частично поглощается, в слое, частично проходит через слой. Ослабление падающего монохроматического излучения в зависимости от толщины слоя определяется зависимостью -а 1 (!) = 1„(0)г У (2 206) Соотношение (2.206) называется законом Буггра; безразмерная величина ит / есть спектральная оптическая толщина слоя газа. 3.
Чисто излучающий изотермический плоский слой газа; внешнее излучение отсутствует. Интенсивность излучения, выходящая с поверхности плоского слоя 1 (/! по нормали к поверхности, определяется процессами собственного излучения всех слоев газа с учетом поглощения собственного излучения в объеме газа: — а! 1т (/) /о 11 ) (2 207) Из соотношения (2.207) следует, что спектральная интенсивность собствейного излучения оптически толстого слоя газа (ач /й 1) приближается к излучению абсолютно черного тела. 2.14.2. СОБСТВЕННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ ГАЗОВОГО ОБЪЕМА В теплотехнических инженерных расчетах обычно интерес представляют такие осредненные характеристики излучения газового объема, как, например, суммарный поток энергии излучения газового объема, суммарная доля поглощения газовым объ. емом внешнего падающего излучения и т. д.
Эти характеристики принципиально могут быть получены на основе решения дифференциального уравнения переноса лучистой энергии (2.205) при соответствующих граничных условиях. Однако такой наиболее правильный и последовательный путь решения еще редко используется на практике из-за отсутствия достаточных данных относительно спектральных коэффициентов поглощения а„и весьма громоздких и сложных вычислительных процедур. Собственное излучение изотермическнх объемов двуокиси углерода, водяного пара и других миогоатомиых газов было надежно экспериментально измерено в серии работ начиная с 30-х годов нашего века. На основе этих данных были составлены номограммы, которые широко используются в настоящее время в теплотехнических расчетах (40, 94 — 96).
На рис. 2.33 и 2.34 представлены номограммы для двуокиси углерода (с02) и водяного пара (Н20) в форме зависимости коэффициента теплового излучения газового объема в от температуры газа. Параметром на графиках служат величины произведения средней длины луча 1 иа парцн- ' 'ЫИИМ . И ~~~~~~аюаи~~»~ ЫМ Дфоп~ Щ~ф ° имй~%ь®й~ И~ИИЖММФ // . / /// /// // // / // ° 1$ ° ° В ..
° ° 11 ° ВН ° . г Ь В. Ю ° .. ° 1.. 11: ° ОВВ 3 ° ° ° ° ° . 11' В Э ° В, В, В ° 1 Ь В 1 1 . 1 ° $. 1 ° . ° ° В ° . В 1 ° 1 ° ° \ В 1 ° 1 ° ° 1 1 ° В 1 ° 1 1 1,, 1 В .1, . ° В В ° ° . 1 В ° ° '1 1 1 ° ' ° '. ° ° 11 ° ° 1 ! В ° В. 1 В Э ° ° 1 1 ° ° $ . ° 1 ° ° $ В 1 . 1 1 . В ° В В ° 1111 1 $ В $1 е,- в В . ° 1 .. ° . ° ° 1 1 В ° 2 214 Теплообмен между ганом и поверхностью твердого тела 20! 202 Основы хелло- и массообчснп Разд 2 ! ° ю~ , „илиФиыэфййФФЬЬЯВийиюййи ' ИИИИИММЩЮИНИЫйЩЩИИй~в~ Мй~ „, лййы ~.
чиМЭЫВийюиин йй~~ ~ йй~%~ЬЪ4И ~чая - - дщч~сча ~, / /Ф l/( /// Ф/ ° ' 1 ° ° 11 ° 1 ° . . ° 1 ° ' ° 1 Ю 1 1 1 ° ° 1 1 1 ° $2.14 Теллообмем между еазом и поверхностью твердого тела 203 энергии собственного излучения газового объема. В продуктах сгорания топлива углекислый газ и водяной пар находятся обычна в смеси друг с другом.
Из-за частичного перекрывания палас излучения-поглощения этих газов коэффициент теплового излуче. иия смеси газов, строго говоря, меньше суммы коэффициентов излучения чистых газов а = асс, + ен о — ба, (2. 2! О) где бе — поправка, которая зависит от температуры смеси, нонцентрацин компонентов, давления, средней длины луча. Имеются номограммы для нахождения значения бе (см, [94, 96]). При обычных соотношениях компонентов смеси, наблюдаемых на практике, поправка в количественном отношении невелика, и в первом приближении может быть опущена.
Расчет коэффициента теплового излучения в смеси Н,О и СОь образующейся при сзкигании энергетических топлив, может проводиться также по упрощенной методике [94]: е = 1 — е югвг, (2.2! 1) где й — каэффидиент ослабления лучей в смеси, определяемый эмпирической формулой й = 0,8 и!4*с (1 — 0,38 " ); 1+ 20 1000 (2.2!2) р= рн,о+рсо, суммарное парцпальиое давлейие водяного пара и углекислого газа, МПа; ! ц Т, в соотяошениях (2.211), (2.212) — м и К. Зта методика согласована с приведенаыми выше номограммами и правомерна в следующем диапазоне параметров: .МП В 1. МН»н ащсо т,, К 3 в 1Π— 0,10 4- Ю 4 — 0,10 0,2 — 2 700 — 1950 зл4А. мнтоды нлсчвтл тнплоовмннл Формула (2.208) определяет поток собственного излучения газового объема, который проходит через его оболочку.
В том простом случае, когда изатермический газовый объем с температурой Т окружен «холадными» черными стенками (е«-1) с существенно более низкой температурой (Т аТ„), формула (2.208) дает одновременно и результирующий лучистый потек в системе, ибо собственное излучение стенок и отражение от стенок здесь несущеетвенны. Однако при коэффициенте теплового излучения «холодных» стенок, отличном от единицы, ситуация при расчете лучистого тепло- обмена осложняется. В системе появляются значительные потоки отраженного излучения.
Когда температуры стенок и газа различаются ие очень значительно, необходим учет также собственного излучения стопок, которое частично поглощается в объеме газа. Такие расчеты требуют знания коэффициента поглощения газового объема по отношению к эффективному излучению стенок и до настоящего времени носят прнблизкениый характер. Коэффициент поглощения газового объема А не является физической характеристикой газа. Он зависит ат спектра надаю- щего излучения и различен при различных температурах окружающих газ стенок. Лишь при условии лучистого равновесия (температуры газа и стенок одинаковы) в соответствии с законом Кирхгофа коэффициент поглощения и коэффициент излучения газового объема равны: А=в. Для коэффициента поглощения изотермического объема газа с температурой Т, по отношению к излучению абсолютно черной оболочки с температурой Т«были получены следующие эмпирические зависимости [96]1 дли С02 г 0 = аг.с !!Т»~Т0) ' ' (2'2!3) для Н10 А„= а„л (Т„/Т )Ш~~ (2.214) где А„— искомый коэффициент поглощения газового объема при температуре Т, по отношению к излучению абсолютно черной стенки с температурой Т,; е,,=е,(Т„, 1, р*) — коэффидиент теплового излучения газового объема при температуре стенки Т„ действительной средней длине луча 1 и пересчитанном парциальном давлении р*= =р (Т«[Т,), тогда как действительное парциальное давление газа равно рю значения е , определяются по номограммам, приведенным на рис.
2.33 — 2.35. По найденному из соотношений (2.213), (2 214) значению А,, можно рассчитать лучистый тсплообмен между газом и черными стевками по формуле 1е = аг" (а„Т~ ~— А Т1) . (2. 215) Если стенки серые (вч (1), то в системе возникают многократные отражения и расчет осложняется. При относительно высоких значениях коэффициента излучения стенок (ее~~0,8) для приближенных расчетов достаточно учесть лишь первые отражения.
Это приводит к следующей формуле [96]: Ц = е, ог [гъ Т~ ~— А„Т'1), (2. 216) где приведенный коэффициент теплового излучения а па 0,5(1+е«). Другой приближенный метод расчета основан иа предположении, что спектральный коэффициент поглощения газа А „не зависит от частоты (или длины волам) и одинаков во всех полосах спектра. Зто предположение выполняется лишь приближенно, однако даст возможность построить достаточно универсальный метод расчета. Для Равд.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
