Виды теплообмена

курсовая работа

3.1 Радиационные свойства газов

Излучение газов существенно отличается от излучения, испущенного твердых тел. В то время как монохроматическая плотность потока излучения для твердого вещества практически изменяется во всем спектре, испускание и поглощение излучения в газах происходят в узких полосах длин волн.

Вид спектра поглощения водяного пара типичен и для других газов. Испускание и поглощение в очень узких полосах длин волн значительны, но в соседних смежных полосах они могут падать до нуля. Газы с симметричным строением молекул, такие, как O2, N2 и Н2, не относятся к сильно поглощающим или излучающим. В большинстве случаев при температуре, меньшей температуры ионизации этих газов, излучением газов с симметричным строением молекул можно пренебречь. С другой стороны, излучение и поглощение газов с несимметричной структурой молекул могут быть значительными. Наиболее важными для техники газами с несимметричной структурой являются Н20, CO2, CO, SO3, NH3 и углеводороды. Ограничимся рассмотрением свойств двух из них: Н20 и СО2.

Еще одно важное различие между радиационными свойствами непрозрачных твердых тел и газов состоит в том, что форма газового объема влияет на его свойства, тогда как свойства непрозрачного твердого тела не зависят от его формы. Толстые слои газа поглощают больше излучения, чем тонкие, и пропускают меньше излучения, чем тонкие. Поэтому кроме общепринятых свойств, определяющих состояние газа, таких, как температура и давление, необходимо еще указать характерный размер массы газа, прежде чем определять его радиационные свойства. Характерный размер в газе называется средней длиной пути луча. Средние длины пути луча в объемах газа различных простых геометрических форм даны в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Средняя длина пути луча в объемах газа различных геометрических форм

Форма объема газа

L

Сфера

Бесконечный цилиндр

Бесконечные параллельные пластины

2/3 диаметра

Диаметр

Два расстояния между пластинами

Полубесконечный цилиндр, излучающий на центр основания

Диаметр

Прямой круговой цилиндр с высотой, равной диаметру

излучающий на центр основания

излучающий на всю поверхность

Бесконечный цилиндр полукруглого поперечного сечения, излучающий на точку в середине плоской стороны

Диаметр

2/3 диаметра

Радиус

Прямоугольные параллелепипеды

куб

1:1:4, излучающий на грань 1 X 4

излучающий на грань 1 X 1

излучающий на все грани

2/3 стороны

0,9 меньшего ребра

0,86 меньшего ребра

0,891 меньшего ребра

Пространство вне пучка бесконечных труб с центрами в

вершинах равностороннего треугольника

диаметр трубы равен промежутку между

трубами

диаметр трубы равен 1/2 промежутка между

трубами

3,4 промежутка

4,44 промежутка

Для других геометрических форм, не перечисленных в таблице, средняя длина пути луча в газе может быть приближенно определена по формуле

(3.1)

где V--объем газа, S--площадь поверхности газа.

В работах Хоттеля измерены зависимости излучательной способности ряда газов от температуры, полного давления и средней длины пути луча. Кривые для излучательных способностей паров Н2О и CO2 показаны на рисунке 3.1 и 3.2. На этих двух графиках и -- парциальные давления газов. Полное давление для обоих случаев 0,10133 МН/м2 (1атм). В случае когда полное давление газа не равно 0,10133 МН/м2, значения и с рисунков 3.1 и 3.2 должны быть умножены на поправочные коэффициенты. Поправочные коэффициенты и представлены на рисунках 3.3 и 3.4.

Рисунок 3.1 Излучательная способность водяного пара при полном давлении 0,10133 МН/м2 (1 атм).

Излучательные способности Н2О и СО2 при полном давлении РТ, отличном от 0,10133 МН/м2 (1 атм), определяются выражениями

В случае, когда оба газа, Н2О и СО2, образуют смесь, излучательную способность смеси можно рассчитать как сумму излучательных способностей газов, определенных при допущении, что каждый газ существует отдельно, за вычетом коэффициента , который учитывает излучение в перекрывающихся спектральных полосах. Коэффициент для Н2О и СО2, представлен на рисунке 3.5. Излучательная способность смеси Н2О и СО2 поэтому определяется выражением

см = + - (3.2)

Рисунок 3.2 Излучательная способность углекислого газа при полном давлении 0,10133 МН/м2 (1 атм).

Рисунок 3.3 Поправочный коэффициент для излучательной способности водяного пара при давлениях, отличных от 0,10133 МН/м (1 атм)

Рисунок 3.4. Поправочный коэффициент для излучательной способности СО2 при давлениях, отличных от 0,10133 МН/м (1 атм)

Рисунок 3.5 Поправочный коэффициент для излучательной способности смеси водяного пара и СО2.

Пример 3.1. Определить излучательную способность газовой смеси, состоящей из N2, Н2О и СО2 при температуре 800 К и имеющей форму сферы диаметром 0,4 м. Парциальные давления газов = 0,1 МН/м2, = 0,04 МН/м2, =0,06 МН/м2.

Решение. Из таблицы 3.1 определяем значение средней длины пути луча для сферы

L=(2/3)D=0,27 м

(по формуле (3.1) L = 0,24 м). Значения параметров, используемых на рисунках (3.1) и (3.2), равны

T = 800К, L = 0,0104 (МН/м2)м, L = 0,0156 (МН/м2)м.

Излучательные способности для полного давления 0,1 МН/м2 равны

= 0,15, = 0,125.

Считаем, что N2 при 800 К существенно не излучает. Поскольку полное давление газа 0,2 МН/м2, необходимо ввести поправку в значения в рассчитанные для 0,1 МН/м2. Величины и берём с графиков (рисунок 3.3 и 3.4)

= 1,62, = 1,12.

Наконец, с помощью рисунка 3.5 определяем величину , используемую для учета излучения в перекрывающихся полосах спектра:

= 0,005.

Излучательная способность смеси определяется по формуле (3.2):

см = 1,62 * 0,15 + 1,12 * 0,125 -- 0,005 = 0,378.

Определение поглощательной способности газа несколько сложнее по сравнению с определением . Используются графики для излучательной способности, описанные выше, однако параметры графиков должны быть модифицированы. Например, рассмотрим водяной пар при температуре , на который падает излучение с поверхности, имеющей температуру Тs. Поглощательную способность Н2О можно приближенно рассчитать по уравнению

, (3.3)

в котором величина берется с рисунка 3.3, а -- значение излучательной способности водяного пара с рисунка 3.1, определенное при температуре Тs, и при произведении давления на среднюю длину пути луча, равном

.

Значение поглощательной способности СО2 определяется аналогично по уравнению

(3.4)

где величина берется с рисунка 3.4, а величина , определяется по рисунку 3.2 при . Для смеси Н2О и СО2 поглощательная способность равна

,

где и определяются по уравнениям (3.3) и (3.4) соответственно, а = оценивается по рисунку 3.5 при температуре Ts.

Пример 3.2. Определить поглощательную способность смеси О2 и водяного пара с полным давлением 0,2 МН/м2 и температурой 400 К. Средняя длина пути луча для газов 1,5 м, а падающее излучение испускается поверхностью с температурой 800 К. Парциальное давление Н2О составляет 0,02 МН/м2.

Решение. Считаем, что кислород не поглощает заметного количества падающего излучения и поглощательная способность смеси равна поглощательной способности водяного пара. Поглощательная способность Н2О определяется уравнением (3.3):

Параметры, используемые для определения и следующие:

(МН/м2)м,

= 0,11 (МН/м2)м,

= 0,06 (МН/м2)м.

По графику с рисунка 3.3 находим

= 1,45,

а по графику с рисунка 3.1 находим

= 0,33.

Поглощательная способность водяного пара, следовательно, равна

Инженерная формула для расчёта теплообмена между излучающим газом и теплообменной поверхностью имеет вид:

(3.5)

где - излучающая способность стенки в присутствии поглощающей среды.

Для замкнутой системы

(3.6)

поглощающей среды:

- по справочнику;

- излучательная способность газа при температуре газа;

- излучательная способность газа при температуре стенки.

Делись добром ;)