Перенос лучистой энергии в поглощающейся и излучающей среде

Рассмотрим перенос энергии плоскопараллельным лучом в запыленной среде, например в продуктах сгорания твердого топлива, содержащих частицы золы. Луч

направлен вдоль оси х (рисунок 11.5). Площадь сечения луча примем равной 1 м“, тогда энергия луча на входе в среду равна Е. Для простоты будем считать частицы пыли сферическими одинакового размера с диаметром d и абсолютно черными. В слое толщиной dx частицы, встретившиеся на пути луча, поглощают энергию в количестве dE. Поглощенная энергия dE равна произведению падающей (Е) на суммарную площадь поперечного сечения всех частиц в слое толщиной dx. В свою очередь, эта площадь равна произведению поперечного сечения одной частицы 7cd2/4 на их число 11.

Число nl частиц в единице объема среды равно отношению их массы m в единице объема (кг/м3) к массе одной частицы плотностью р: nl = m6/(pjcd3).

Ослабление плоскопараллельного излучения в запылённой

Рисунок 11.5 - Ослабление плоскопараллельного излучения в запылённой

среде

Число частиц в объеме слоя толщиной dx(и площадь 1 м2): n=njdx. Тогда:

Отсюда:

Интегрируя это выражение от начального значения Е (при х = 0) до текущего Е, получим:

Обозначив величину (1,5сч)/(рчсГ) через /, а толщину слоя среды через /, получим:

Этот закон экспоненциального ослабления излучения в лучепоглощаю- щей среде носит название закон Бугера: коэффициент ослабления % увеличивается с ростом массовой концентрации частиц и уменьшением их размеров.

Коэффициент поглощения слоя запыленной среды толщиной х=1 равен:

Таким образом, коэффициент поглощения (а следовательно и степень черноты) слоя запыленной среды, в отличие от твердого тела, зависит от его толщины и концентрации пыли.

В реальных системах процесс передачи лучистой энергии осложнен тем, что несферические частицы имеют различные размеры, степень их черноты не равна единице, а луч не плоскопараллельный. Поэтому действительная величина и, а также величина /, заменяемая обычно на величину /э^, называемую эффективной длиной луча или эффективной толщиной излучающего слоя, определяются из эксперимента и приводятся в справочниках.

Процесс распространения лучистой энергии в газовой (незапыленной) среде имеет много общего с вышеописанным процессом в запыленной среде. Роль пылинок играют здесь молекулы газа, концентрация которых увеличивается с ростом давления газа.

Различные газы обладают различной способностью излучать и поглощать энергию. Одно- и двухатомные газы (кислород, азот и др.) практически прозрачны для теплового излучения. Значительной способностью излучать и поглощать энергию излучения обладают многоатомные газы: диоксид углерода С02 и серы SOводяной пар Н2О, аммиак NH3 и др. Наибольший интерес представляют сведения об излучении диоксида углерода и водяного пара, образующихся при сгорании топлив. Однако, в распространённой теплоэнергетике бывшего СССР, применявшие высокотемпературные топки в паровых котлах ТЭС и ТЭЦ. появился дополнительный интерес к оксиду и диоксиду азота (N0) и (N02)7 так как при сгорании топлива в топке котла с температурой превышающей 1200 °С азот начинает окисляться. Эти газы, как продукты сгорания, представляют из себя отравляющие вещества, вредные для жизнедеятельности живого мира и человека, прежде всего, поэтому необходимо их выбрасывать через дымовые трубы на высоту не менее 30 м или предпринимать конструкторские мероприятия, снижающие температурный режим сгорания топлива в топках котлов и печей не превышающий порога окисления азота. Интенсивностью их излучения в основном определяется теплообмен раскаленных газообразных продуктов сгорания с обогреваемыми телами в топках.

Газы являются селективными излучателями. Участки спектра, в которых газ излучает и поглощает энергию, называют полосами излучения (поглощения). Ниже приведены основные полосы поглощения Я мкм, для СО2 и Н20

со2 н2о

  • 2-3 2.2 - 3,0
  • 4 - 4,9 4,8 - 8,5
  • 12, - 1 6,5 12 - 30

Видно, что в световой (видимой) части спектра С02 и пары Н20 не излучают и не поглощают. В коротковолновой части спектра газы поглощают и излучают хуже, чем в длинноволновой.

С ростом температуры, когда максимум излучения смещается в область коротких волн, степень черноты уменьшается. Поскольку степень черноты газа ег существенно зависит от температуры, «закон четвертой степени» Стефана — Больцмана строго не выполняется. Так, плотность потока излучения Ен2о~ Т3, а Есо2 ~ Т3 5.

Выше отмечалось, что излучение газов носит объемный характер. Способность газа излучать энергию изменяется в зависимости от плотности и толщины газового слоя. Чем выше плотность излучающего компонента газовой смеси, определяемая парциальным давлением р, и чем больше толщина слоя газа /, тем больше молекул принимает участие в излучении и тем выше его излучательная способность и коэффициент поглощения. Поэтому степень черноты газа ег обычно представляют в виде зависимости от произведения pi или приводят в номограммах [15]. Поскольку полосы излучения диоксида углерода и водяных паров не перекрываются, степень черноты содержащего их топочного газа в первом приближении можно считать по формуле:

Излучение чистых газов 20, С02 и др.) находится в инфракрасной части спектра. Имеющиеся в продуктах сгорания раскаленные твердые частицы (зола и т. п.) придают пламени видимую окраску, и его степень черноты может быть большой, достигая значений 0,6 — 0,7. Поэтому при факельном сжигании твердых топлив, а при выделении сажи (при сжигании с недостатком воздуха) — и жидких, и газообразных основное количество теплоты в топках передается излучением пламени. Излучение горящего пламени (факела) при теплообмене в топках рассчитывается по специальным формулам [15].

Контрольные вопросы и задачи практики

  • 1. Сколько экранных алюминиевых полированных пластин следует поставить в системе вакуумно-многослойной изоляции сушильного шкафа для уменьшения теплового потока излучения не менее чем на 99.4 %? Сушильный шкаф работает при температуре, не превышающей 200 °С.
  • 2. Почему с увеличением содержания углекислого газа в атмосфере Земли (при сжигании больших количеств органического топлива в процессе производственной деятельности человека) возможно потепление климата?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >