Теория тепломассобмена (Леонтьев) (1074340), страница 71
Текст из файла (страница 71)
В процессах ионизацни и рекомбинации молекул и атомов газов, что может иметь место прн достаточно высокой температуре, происходят связанно-свободные переходы, когда испущенный (поглощенный) фотон может иметь самую различную энергию, а соответствующее ему излучение — разную частоту. Поэтому с ростом температуры газа в его спектре все большую роль начинают играть сплошные участки излучения и поглощения лучистой энергии. йг 0 и и га гг 30 зг гя аг пуза и" Рис. 1Х.16. Зависимость вогловгательвой способности А Зтлеивслого газа от ддвизе аолиы ври т = 330 к (1) и т = 300 к (я) На рис. 1Х.18 показан спектр поглощения углекислого газа при умеренной температуре, а на рис.
1Х.19 — спектр цоглошения воздуха при высокой температуре и различных давлениях. Из графиков видно, насколько сильно и нерегулярно изменяется коэффициент поглощения газов в зависимости от частоты, температуры и давления. Это весьма затрудняет и делает зачастую ненадежным использование спектральных данных для практических расчетов радиационного теплообмена. Более удобным ока- зывается использование характеристики степени черноты газового объема. Сееаьаэвееся пламя.
Эта полупрозрачкая среда представляет собой потоки излучающих газов в смеси с твердыми излуча квпими частицами. В отличке от зэлылекпых сред пламя содэржит излучающие частипы, размеры которых соизмеримы с яликами волн теплового излучеиия и составляют 1...10 з мкм. Это частицы сажи, образующиеся в процессе гореипя в результате термического разяожекия углеводородных молекул. Характериой особепкостью запыленных потоков и пламеки (а также аэрозолей) является пх способность в значительной мере рассеивать проходяцме. через ппх пзлучепке, вследствие чего подобные среды часто называют мутиыми». Рвс. ЕХ.19. Заввснмость хоэффдцаевта аоглошемвв воздуха э„ от частоты арв 10ВВВК к раавкчиых дава»идах (вертикаль аыа лаавп соответствуют сневтраааизем динкам, воглоиювме хо. тормх аа 3 — 4 порядка сильнее, чам в соеадвах участках спектра) Закььееккые средьь Запыленными, или двухфаэдыми называют среды, в которых твердые илп (реже) жидкие частицы взвешены в диатермическом или излучавицем газе.
Размеры частиц могут быть от иесколькпх мкллиметров до нескольких микрометров. Тяпичкыми, однако, являются случаи, когда размеры частиц в осповиом зпачптелько больше, чем средпяя длина волин теплового излучения прк дедкой температуре. Примерами задылекпых сред являются продукты сгорапия твердого природного топлив» с взвешенными в ппх частицами золы к горящего топлива. 1Х.Б,М. Характсристпики объсдноео излучения, ноааои(акая и рассеяния эксреии В общем случае объем полупрозрачной среды может испускать собствепкое кзяучепке, а также поглощать и рассеивать пвяучекие, проиикающее извне через градкцы объема. В результате взаимодействия яэлучеиия с веществом среды в объеме формируется поле излучения, характеризующееся опредвяепиым распределением злектромагпиткой энергии по частотам п по пространству. Как и в случае излучения с поверхности непрозрачного тела, при объемном излучеипи следует различать спектральные (мокохроматические) характеристики изяучепия, отпосящиеся к излучению с каппой длиной волны (точкее, к излучению, заключеипому в бесконечно малом интервале длип волн от Л до Л + аЛ) и полные (интегральные) характеристики, откосяпшеся ко всему дпзлазопу длкп волн.
Прк этом переход от спектральных к иптегральпым характеристикам ке допускает простого суммпровзлпя и требует введения условных ("эффективкых") значений со сложиыми закопамп осредпекия. В дальнейшем будут рассмотрепы прежде всего спектральные характеристики, отпосящиеся к юлучеккю с дедкой длиной волкы (отмечепы индексом "Л"). » К воаувроереевын сред»к отвосетсе тевме в»которые твердые теда (егееао трастовом) в мвввоств, особ»вас о сревввтевьво товввв своев. Н аиболее детальной характеристикой излучения в Г объеме является направленлез ная спектральная интенсивность излучения (яркость излучения) 1» 8, которая определяется как поток Й)» энергии излучения, заключенного в узком интервале д» длин волн, проходящего в данном направленки У (рис.1Х.20) через элементарную площадку дР~, перпендикулярную нвлравлению б, в пределах элементарного телесного угла Нйп, отнесенного к единипе поверхности, единице интервала длин волн и единице телесного угла (выражается в ваттах на кубический метр-стерадиан, или Вт/(мз ср)): Рве.
1Х.З0. К понятию ввтеп- свавоств папраалеввого излуче- ния .1», =,ф»!(~~; д» дй~), Знал величину интенсивности излучения в каждой точке объема для всех направлений и длин волн, можно рассчитать все остальные характеристики излучения, в том числе и количество лучистой энергии, которым обмениваются объем и окружающая его поверхность, а также отдельные участки поверхности между собой. Изменение интенсивности излучения в объеме полупрозрачной среды описывается уравнением переноса излучения (см.
1Х.5.3.). При расчете интенсивности излучения следует учитывать как собственное излучение среды, так и падающее внешнее излучение, которое может претерпевать частичное поглощение и рассеяние в объеме, занятом полупрозрачной средой*. Е Отражатеньнах способность полупрозрачных газовых сред ннчтожна н отраженное нзлученне обычно не нрнннмаетсз в расчет. Собственное (спонтанное) излучение элементарного объема изотропной среды в условиях термодинамического равновесия распределено равномерно по всем направлениям.
Оно характеризуется спектральной объемной плотностью спонтанного излучения г1»еоб, которвл представляет собой количество энергии излучения при данной длине волны А, испускаемой единипей объема в единипу времени по всем направлениям. гяз Рвс. 1Х,31. Ослаблеюзе ввтевсвавоств паяаюпзего взпучеппл па пути луча Поглощение и рассеяние излучения, проходящего через объем в направлении У (рис. 1Х.21), приводит к ослаблению луча, выражаемому законом Бугера, согласно которому относительное убывание интенсивности излучения на бесконечно малом пути пЯ вследствие его поглощения и рассеяния пропорпионально длине пути луча: у»,8/у»,8 = -К» дЯ.
(1Х.19) Коэффнпиент пропорпиональности К» носит название эФ- уректпиеиого коэпз4из4иенпзп ослабления среды и представляет собой сумму коэффициентов эффективного поглощения а» и рассеяния 9». К» = а»+ф». Интегрирование выражения (1Х.19) по направлению У на длине !от точки М» до точки МЗ дает значение той части интенсивности излучения, падающего на объем в точке М1, котоРая проходит непоглощенной к точке Мз. (1Х.20) л»,~,»гз = у»,~,»г, ехр — К»ео о 600 601 Интеграл в скобках в уравнении (1Х.20) называют спектральной оптической длиной луча в ослабляющей среле: е Если коэффициент ослабления К1 одинаков во всем объеме, то оптическая длина луча пропордмондльна его геометрической длине: ю„,„= к„(, ,Иля этого простого случая закон Бугера может быть записан в интегральной форме: ,7Лдэ д/1Лддл ж е -к„ю (ХХ.21) оЛддг = и ~ а ж 4и аЛ,7Ле.
(П.23) гле ГЛ вЂ” часть падающего нз, объем излученю, оставшаяся непоглощанной на пУти Длиной 1; 1Лддя - интенсивность паДающего излучения. Поглощение юлученмя в объеме полупрозрачной среды характерюуетея спектральной объемной плотностью поглеецремого излучения и ., которая получается кнтегрироваиием по сфере, окружающей элементарный объем, излучения, падающего со всех направлений и поглощаемого в объеме: ЧЛ = ОЛ УД,Я ай8. (тх.г2) 4а' Согласно закону Кирхгофа, прм термодинамическом равковесми среды и юлучепмя количество энергии, поглощаемой элементарным объемом, должно равняться количеству энергии, испускаемой им (при любой длине волны).
Интенсивность равновесного излучения определяется законом Планка 1Л ж,уЛЕ (см. выражение (И.З)) и не зависит от направления 7, Интегрирование уравнения (1Х.22) дает выражение закона Кмрхгофа для объемного излучения: В реальных условиях радкапионвого тешмюбмека термодкиамнческое релновееие между веществом и мзлученмем отсутствует, При этом вепмство в избытке либо получает, либо отда ет лучистую энергию. Строго говоря, при этом закон Кмрхгофа уже не выполняется. Вопросы неравновесного излучения очень сложны м еще недостаточно разработаны.
Поэтому прн расчетах принимается гипотеза локального равновесия, согласно которой чвстмцы вещества находятся в равновесик между собой, несмотря иа отсутствке равновесия макну ними и электромагнктным полем нзлучепы. При этом радиапкоиные свойства вещества та кие же, как и прк полном равновесвп, что позволяет применять мкпш Кмрхгофа, Заметные отклонения от закона Ккрхгофа возможны в сплыло разреженных газах илк при очень больших радиационных потоках.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
