Главная | Обратная связь

Излучение и поглощение газов

 

Важная роль при теплопередаче в рабочей камере печи принадлежит газовой среде. Особенно это касается топливных печей, камера которых заполняется продуктами сгорания. Газы, в отличие от твердых тел, излучают и поглощают тепловую энергию только в определенных интервалах длин волн (дискретно). Но не все газы излучают и поглощают тепло. Так, например, одно- и двухатомные газы аргон Ar, кислород О₂, водород Н₂, азот N₂, окись углерода СО и другие являются почти прозрачными для тепловых лучей. Они не излучают и не поглощают тепло. Трех и многоатомные газы углекислота (углекислый газ) СО₂, водяные пары Н₂О, сернистый ангидрид SO₂, метан СН₄, аммиак NH₃ и другие обладают значительной поглощательной и излучательной способностью. Из перечисленных выше многоатомных газов наибольшее практическое значение для термических печей имеют углекислота СО₂ и водяной пар. Они являются компонентами продуктов сгорания любого промышленного топлива и всегда присутствуют в атмосфере топливной печи и оказывают сильное влияние на теплообмен в рабочем пространстве, поэтому свойства этих газов изучены довольно хорошо. Основные полосы поглощения двуокиси углерода и водяного пара схематически показаны на рис. 5.1.

Рис. 5.1. спектры поглощения двуокиси углерода и водяного пара

Из рис. 5.1 видно, что наибольшее поглощение СО₂ происходит на длинах волн 2,65, вторая заметная интенсивность соответствует длинам волн 4,01…4,8, а третья полоса приходится на волны длиной 12,5…16,5 мкм. Для водяного пара первая полоса в интервале длин волн 2,3…3, 25, вторая - 4,8…8,5 и третья - 12.. 25 мкм

Излучение газов всегда меньше излучения абсолютно черного тела при той же температуре. Поэтому плотность теплового потока, излучаемого газом можно представить следующей формулой:

, Вт/м², (5.1)

где e_r – степень черноты или относительная излучательная способность газа;

С_о – коэффициент излучения абсолютно черного тела [С_о = 5,7 Вт/(м²×град⁴)];

Т_г– абсолютная температура газа.

Коэффициент e_r зависит от природы данного газа, температуры t, °С, концентрации излучаемого газа в газовой смеси, формы газового потока и толщины слоя газа. При расчетах e_r представляют как функцию температуры, парциального давления р и средней эффективной длины пути поглощения луча l: e_r = f (t, p, l).

Парциальное давление данного газа в смеси с другими газами выражается его относительным содержанием в этой смеси р=р_атм х % - е содержание газа. Средняя эффективная длина пути поглощения луча l, м, определяется по формуле (Невского – Порта):

^, (5.2)

где V_r – объем, заполненный излучающим газом, м³;

F_ст – площадь стенок, ограничивающих этот объем, м².

Средняя эффективная длина пути луча l для газовых тел различной формы может быть определена и по данным табл. 4.1 [4., с. 101].

Таблица 4.1

Средняя эффективная длина пути луча для газов, заключенных в тела различной формы

Форма тела, заполненного газом	l, м
Шар диаметром d, м	0,60 d
Куб со стороной а, м	0,60 а
Длинный цилиндр диаметром d, м:
- излучении на боковую поверхность	0,90 d
- излучении на центр основания	0,60 d
Цилиндр высокий h = ∞, основание – полукруг радиусом r, м, при излучении на плоскую боковую поверхность	0,77 d
Две бесконечные плоскости, отстоящие друг от друга на расстоянии h	1,26 r

Для определения степени черноты газа e_r ( или ) в зависимости от температуры °С, имеются (для СО₂ и Н₂О) специальные графики, построенные экспери-ментально Хоттелом и Эгбертом. Для этого требуется определение произведения и . Для опреде-ления , e_Н2О и e_SO2 используются графики, приведенный на рис. 5.1,. 5.2 и 5.4

По найденным зна-чениям , e_SO2 и можно определить суммарную степень черноты излучаемого газа

+e_SO2. (4.3)

Для водяного пара влияние парциального давления р больше, чем l. Поэтому при определении вводится поправочный коэффициент b, значение которого находится по графику (рис. 5.4)

При расчетах теплообмена излучением в печной газовой среде металла для определения плотности теплового потока можно воспользоваться выражением

q = a_л (t_г - t_м), (5.4)

где a_л – коэффициент теплоотдачи излучением, Вт/(м²×град);

t_г – температура газа, °С;

t_м – температура металла, °С.

Рис. 5.4. Степень черноты

Коэффициент теплоотдачи излучением определяется по формуле:

, (5.5)

где С_Г.К.М. – приведенный коэффициент излучения от газов на металл с учетом роли кладки в лучистом теплообмене, Вт/(м²×град⁴);

Т_М – конечная абсолютная температура нагрева металла, К.

Коэффициент С_Г.К.М. определяют по формуле В. Н. Тимофеева

, (5.6)

где 1/j_к.м. = F_К/F_M – степень развития кладки (j - угловой коэффициент от стен печи на металл).

Следует учесть, что значение коэффициента a_л меняется по ходу нагрева металл. Поэтому для расчетов теплообмена всегда используется среднее значение

, (5.7)

где и -соответственно коэффициенты теплоотдачи излучением для начальной и конечной температур металла или

. (5.8)

Пример 2.1.1. Найти плотность теплового потока излучением от дымовых газов и стен печи нагреваемому металлу. Температура газов в печи Т_г = 1600 К.

Начальная температура металла К.

Конечная температура металла К.

Рабочая камера печи имеет форму параллелепипеда с размерами длиной 2 м, шириной 1,5 м, высотой 1 м. Поверхность нагреваемого металла F_м = 2 м², e_м = e_ст = 0,8.

Содержание в продуктах сгорания: СО₂ – 10 %; Н₂О – 20 %.

Решение.

1) определяем j_км;

1/ - под не излучает, поэтому его площадь в расчет не входит;

2) рассчитаем м;

3) вычисляем произведение р×l. При атмосферном давлении продуктов сгорания 101 кПа парциальные давления СО₂ и Н₂О соответственно равны:

кПа;

кПа;

кПа×м и

кПа×м;

4) определяем Вт/(м²×К⁴);

5) рассчитаем средний коэффициент теплоотдачи

Вт/(м²×град);

6) удельный тепловой поток согласно (4.4) составит

q = 270,1 (1600 - 1400) = 54020 Вт/м².

Пример 2.1.2. Продукты сгорания генераторного газа, содержащие 18 % СО₂, 10 % Н₂О и 72 % N₂ + О₂, проходят по железному цилиндрическому трубопроводу диаметром 0,5 м.Температура газов 1000 °С, температура стенок трубы 500 °С. Степень черноты поверхности трубопровода e = 0,9. Определить количество тепла, передаваемого газом на 1 м² стенки трубопровода.

Решение. Определяем по табл. 4.1 среднюю длину пути луча l для цилиндра диаметром d: l = 0,9×d = 0,9×0,5 = 0,45 м. Тогда имеем:

• для углекислоты pl = 0,18×0,45 = 0,08 (м × ат) · 98,06 кПа =7,9 кПа;

• для водяных паров pl = 0,10×0,45 = 0,045 (м×ат) · 98,06 кПа,

где p – парциальное давление (кг/см²) в продуктах сгорания, которое при атмосферном давлении равно объемной доле этих составляющих в газовой смеси.

При этом следует иметь в виду, что 1 ат. (техническая атмосфера) =

=1 кг/см² = 98,06 кПа.

По графикам на рис. 4.1 и 4.2 [2, С. 91; 4, С. 100] находим значение и при t = 1000 °С: = 0,06, поправочный коэффициент для по рис. 4.3 [2, с. 92;4, с. 101] составляет b = 1,07;

При 500 °С = 0,1 , тогда 0,1, = 0,12; b = 1,07; b · = 1,07×0,12 = 0,128; e_г = + = 0,09 +0,064 = 0,154; e_С = + = 0,1 + 0,128 = 0,228.

Вычисляем значение четвертых степеней абсолютных температур, используя приложение 6.

(3.14)

или

Вт/м².

Практическая часть