Особенности излучения газов и паров

Различают несветящиеся и светящиеся газовые среды. Свечение газовой среды обусловливается наличием в ней раскаленных частиц сажи, угля, золы. Такое светящееся пламя называют факелом. Излучение факела определяется главным образом излучением содержащихся в нем твердых частиц. Присутствие в газовой среде значительного количества мелких взвешенных твердых частиц делает эту среду мутной.
К мутным средам кроме сажистого светящегося пламени можно отнести и другие запыленные потоки, например пылевые облака, туманы. Мутные среды характеризуются существенным рассеиванием лучистой энергии.

Одно-, двухатомные газы (гелий, водород, кислород, азот и др.) практически являются прозрачными (диатермичными) для излучения. Трехатомные газы обладают большей излучательной и поглошательной способностью. К таким газам относятся СО₂ и Н₂О, имеющие большое практическое применение в теплоэнергетике; в топочных газах, как правило, они присутствуют одновременно.
В отличие от твердых и жидких тел излучение газов носит объемный характер, так как в нем участвуют вес микрочастицы газа. Поэтому его поглощательная способность зависит от плотности и толщины газового слоя.

С увеличением плотности и толщины слоя газа его поглощательная способность увеличивается. Излучение газов носит избирательный (селективный) характер. Они поглощают и излучают только в определенных интервалах длин волн. В остальной части спектра они являются прозрачными. Так, для СО₂ и Н₂О можно выделить по три основные полосы поглощения (рис. 18.2, 18.3 и табл. 18.1; буквы и цифры на рисунках соответствуют разным толщинам слоя газа). Из таблицы следует, что полосы поглощения СО₂ частично совпадают с полосами поглощения Н₂О. Двуокись углерода обладает относительно узкими полосами поглощения. Спектральные полосы поглощения водяного пара характеризуются большей шириной. Вследствие этого поглощательная способность и степень черноты водяного пара существенно больше, чем двуокиси углерода.

Рис. 18.2. Полосы поглощения Н₂О.

Рис. 18.3. Полосы поглощения СО₂.

Ширина отдельных полос излучения изменяется с температурой газа. С увеличением температуры ширина полос увеличивается, а поглотительная способность уменьшается, так как уменьшается плотность газа. Влияние расширения полос преобладает над влиянием уменьшения поглощательной способности так, что в результате имеет место повышение энергии излучения с увеличением температуры газа.
Плотность собственного интегрального излучения по опытным данным выражается соотношениями

(18.38)

Согласно (18.38) излучение СО₂ растет пропорционально Т^3,5 и (рl)^0,33. Следовательно, СО₂ может иметь заметное собственное излучение при относительно малой толщине слоя. Излучение медленно увеличивается с ростом толщины слоя и быстрее с температурой.

Излучение медленно увеличивается с ростом толщины слоя и быстрее с температурой.
Парциальное давление (р)и толщина слоя (l) оказывают большее влияние на излучение Н₂О, чем на излучение СО₂. Поэтому при малых толщинах слоя преобладает влияние излучения СО₂, а при больших — излучение Н₂О. Зависимости (18.38) показывают, что излучение газов существенно отклоняется от закона четвертых степеней температуры Стефана— Больцмана. На рис. 18.4 и 18.5 приведены графики экспериментальных данных для степени черноты СО₂ и Н₂О в зависимости от температуры и параметра (pl). На рис. 18.6 представлены данные по предельному значению степени черноты этих газов при pl®¥. График показывает, что даже в предельном случае степень черноты существенно меньше единицы; предельная степень черноты водяного пара в несколько раз больше, чем для двуокиси углерода.
Рис. 18.6. Предельная степень черноты СО₂ и Н₂О в зависимости от температуры.

Для газовых смесей вследствие частичного совпадения спектров степень черноты оказывается несколько меньше, чем сумма степеней черноты отдельных компонентов