ПРОХОЖДЕНИЕ ИНФРАКРАСНЫХ ЛУЧЕЙ ЧЕРЕЗ ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ГАЗЫ

Инфракрасные лучи при прохождении через различные сре­ды ослабляются. Это ослабление характеризуется уменьшением их мощности и происходит вследствие поглощения и рассеива­ния. При поглощении энергия инфракрасных лучей преобразу­ется в другие формы энергии, но главным образом в тепловую. При рассеивании инфракрасные лучи отклоняются в различные стороны, в результате чего, только часть их проходит в первона­чальном направлении.

Излучение газов. Сухой и чистый воздух практически про­зрачен для теплового йзлучения. Присутствие многоатомных газов делает газовую среду полупрозрачной. Такова, например, газовая среда в рабочей камере печи. Здесь прозрачность газо­образной среды ослабляется из-за наличия в ней водяных па­ров и углекислоты.

Трех — и многоатомные газы могут поглощать, а при высоких температурах и излучать тепло. Большое практическое значе­ние имеет излучение углекислоты (СОг) и водяного пара (НгО), содержащихся в продуктах сгорания.

• Поглощение и испускание лучистой энергии газами имеет ярко’ выраженный селективный (избирательный) характер. Так, для углекислого газа (СО2) обычно принимают три полосы по­глощения, отвечающие следующим длинам волн: 2,36—3,02; 4,01—4,8; 12,5—16,5 мк. Для воды также принимают три полосы в следующих пределах длины волн: 2,24—3,27; 4,8—8,5; 12— 25 мк. Селективность спектра газового излучения приводит к тому, что на него не распространяются некоторые законы излу­чения твердых тел.

Степень черноты газов завидит от их температуры, парциаль­ного давления и средней эффективной длины пути луча S, ха­рактеризующей размеры излучающего газового объема. Пар­циальные давления рСОг и рНг0 обычно известны из расчета горения топлива. Величина S может быть найдена по прибли­женной формуле А. С. Невского:

С 4V

<S = Т|———————————————— М

1 F

Где V-— объем полости, заполненной излучающим газом, в м3; F— площадь стен, ограничивающих этот объем, в м2\ Т)— коэффициент, учитывающий долю энергии излучае­мой, которая доходит до етенок; величина этого коэф­фициента может быть принята равной 0,9.

Значения S, вычисленные при г] = 0,9, приведены в табл. 4.

Таблица 4

Значения средней эффективной длины пути луча 5

Форма объема

Величина S

Сфера диаметром D…………………………………………………………………….

Неограниченный цилиндр диаметром D …….

Слой газа между двумя параллельными пластинами тол-

0,6 D 0,6 а 0,9 D

1,8 б

ПРОХОЖДЕНИЕ ИНФРАКРАСНЫХ ЛУЧЕЙ ЧЕРЕЗ ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ГАЗЫ

Рис. 7. Поправочный коэффициент £ для полу­чения степени черноты водяных паров (єн20=

=eHsoЈ)

В технических расчетах произведение pS (сила поглощения) принимается за один из аргументов при определении степени черноты излучающего газа. Теоретически степень черноты объ­емов, заполненных газом определенной температуры, в одинако­вой мере зависит как от парциального давления излучающих газов, так и от эффективной длины пути луча. Это положение, справедливое для С02, не соблюдается при излучении НгО, для которого парциальное давление оказывает большее влия­ние на степень черноты, чем средняя длина пути луча. Для рас­чета излучения НгО вводится поправочный коэффициент ве­личина которого зависит от РНг0 и определяется по рис. 7. Для

ПРОХОЖДЕНИЕ ИНФРАКРАСНЫХ ЛУЧЕЙ ЧЕРЕЗ ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ГАЗЫ

СІ в

**»3′ОгЙ HUJOHdah чнэиэшэ вондоюр

ПРОХОЖДЕНИЕ ИНФРАКРАСНЫХ ЛУЧЕЙ ЧЕРЕЗ ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ГАЗЫ

Получения действительной степени черноты НгО условную сте­пень черноты найденную на рис. 9, умножают на коэф­фициент т. е.

®н2о = £енго-

Степени черноты 8С0з и ЕН2о определяются по графикам рис. 8 и 9, составленным В. Н. Тимофеевым и Э. С. Карасиной в зависимости от рсс>2, рЫг0 и температуры газов.

Степень черноты газов тогда составит:

8г = есо2 + ен2о •

Г. JI. Поляк предложил формулу для определения теплового потока при излучении газов на твердую поверхность с учетом многократных поглощений, отражений и пропусканий лучистых потоков:

Єг 1100/ і 100/

4,96

<7

1 1

— + —-1 єг єс

Где ес — степень черноты газов при температуре по­

Верхности стены Тс; 8Г и Гг — степень черноты и температура газов.

Q = 4,96е

При однократном поглощении выражение для суммарного теплового потока принимает вид:

(TjlY _ Е Люо/ с \iooy J

Если Тг незначительно больше Тс, последнюю формулу можно записать в следующем виде:

При приближенных расчетах А. Шак рекомендует пользо­ваться следующими выражениями для степени черноты трех­атомных’ газов:

1) степень черноты газов при их температуре Тг

У0,01Гг u, uwr

2) степень черноты газов при температуре стенки Тс

3 /———————————————— n"’® 0J6

Ec-^s0,/15 ————————————- +7,15 0 nl r.

1/0,017c и. оіУс

Если температура продуктов горения Тг соизмерима с тем­пературой поверхности Тс, то при пользовании’ выражени­
Ем, вместо ег вводится среднее значение степени черноты газов єг в интервале температур Тт и Гс, определяемое по выражению

— = Вг (0,01 Тг)4 — ес (0,01 Ус)4 Г (0,01 Гг)4— (0,01 Тс)4

В печах излучение газов всегда сопровождается конвективной тепло­отдачей к твердым поверхностям. При этом в зависимости от температур Т г и rc и характера движения газов со­отношение между обоими видами теплопередачи может существенно из­меняться, так как излучение твердых тел и газов и конвекция подчиняются различным законам. Это приводит к известному усложнению расчетов теп­лообмена и к необходимости упроще­ния явлений. Такое упрощение выра­жается в том, что рассматривают сум­марное значение коэффициента тепло­отдачи от газов к поверхности стенки:

А = аизл ~Ь ®конв*

Коэффициент теплоотдачи излучением равен: я _ ^(0,01 7-і)4-(0,01 Г,)’

«изл — u " —————- •

(і — Гг

Общий тепловой поток составит:

Часто при малых значениях #коив вводят коэффициент х>1, Т. е. q—xqn с последующей проверкой этого коэффициента.

Закон Бугера. Пусть плотность потока энергии (рис. 10), Входящей в поглощающий слой (полосу) /0. На расстоянии х от поверхности она равна I. Тогда

Dl = — \ I dx,

Где Ьх— коэффициент ослабления или поглощения луча в ж-1.

ПРОХОЖДЕНИЕ ИНФРАКРАСНЫХ ЛУЧЕЙ ЧЕРЕЗ ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ГАЗЫ

Рис. 10. Схема для вы­вода формулы, выражаю­щей закон Бугера

Знак минус показывает, что в положительном направлении оси х величина Dl отрицательна. Коэффициент характеризует способность среды ослаблять поток излучения, численно рав­ной доле потока, поглощенного и рассеянного в единичном объ­еме вещества и зависящей от длины волны падающего потока излучения.

В результате интегрирования получается

H О

Где х — длина пути излучения в среде.

Эта формула выражает закон Бугера. Она является прибли­женной, но благодаря своей простоте удобна для расчетов. ч

Коэффициент пропускания плоского слоя полупрозрачной среды

Где /— поток излучения, прошедшего через толщу х среды;

/0 — поток падающего излучения; е—основание натуральных логарифмов.

Кроме показателя ослабления к оптическим характеристи­кам среды относятся пропускание (или прозрачность), а также оптическая плотность.

Коэффициент поглощения А выражается формулой

А = 1-е~ьхх.

На основании закона Кирхгофа получаем, что степень черно — — ты газа єх =ЛХ. Она изменяется в зависимости от толщины слоя по экспонентному закону, т. е.

Єх = Ах = I — <Г*Х * =l — ex pS.

В приведенном выше выражении коэффициент поглощения Bx=kx Р, так как для газовой смеси коэффициент поглощения какой-нибудь составной части смеси должен входить в расчет такой доли, которая соответствует ее парциальному давлению Р; величина kx зависит только от вида газа и от длины волны.

При х=оо ех = Лх = 1, т. е. излучение бесконечно толстого слоя газа является черным.

Закон Кирхгофа верен и для твердых тел, излучение которых является поверхностным явлением. Следовательно, чистота, за­грязненность и покрытие краской оказывают большое влияние на поглотительные и лучеиспускательные свойства твердых тел.

Оптическая плотность D используется при расчетах пропускания атмосферой и фильтрами потока излучения и явля­ется десятичным логарифмом пропускания, взятым с обратным знаком:

D = knl,

Где kn —- показатель поглощения, равный 0,434 k, и следова­тельно

D = 0,434 Kl.

Изменение поглощения лучистой энергии одним и тем же материалом в зависимости от длины волны представляет собой сложное явление. В результате изучения такого явления ученые научились подбирать оптические материалы, пропускающие или поглощающие инфракрасные лучи. Такие материалы служат либо окнами, когда необходимо максимальное пропускание, ли­бо фильтрами, когда добиваются выделения нужного участка спектра излучения и поглощения мешающих излучений.

В табл. 5 приведены данные о некоторых из этих материалов.

Таблица 5

Оптические материалы инфракрасной аппаратуры

‘X £ • W О U О.

Пропускание

П л/

Показатель преломления

Н

Я я

S о s

>4

Материал

"СО! У К

О

/0

В

О/

Я £ So

(- О

1°«

? Ч Ї

Й V М

Я (J (J S

При

При

При

При

Т м о 1

ЙД

ТО к

И Я

Ссеш

2,2 мк

4,3 мк

2,2 мк

4,3 мк

Л ® 1 (в о

Ч »

Ї я

О 0J

Л Н Ft н

С т _

Н ч

Специальные

Оптические стек­

Ла ..-.•..

2,7

96—

— —

1,5—

4—10

2,3—

1400

98

1,7

4,8

Плавленый

Кварц………………….

4,5

96

40

1,43

1,37

0,55

2,2

1667

Техсернистый

Мышьяк………………

12

96

96

2,38

2,35

26

3,2

196

Кремний. . .

15

. 98

98

3,45

3,43

4,2

2,33

1420

Сапфир (А1203)

5,5

94

94

1,73

1,68

6,7

3,98

2030

Пер и к лаз (MgO)

6,8

89

94

1,71

1,66

13

3,59

2800

Германий. . .

15

96

96

4,08

4,02

6

5,32

958

Хлористое се­

Ребро…………………

25

80

2,01

2

30

5,53

458

Бромистый ка­

Лий…………………….

27

92

*—

1,54

1,53

41

2,75

728

Подбирая тот или иной материал для окон и фильтров, учи­тывают конкретные задачи, которые придется выполнять с по­мощью инфракрасной аппаратуры.

Пропускание атмосферой инфракрасных излучений в значи­тельной мере зависит от количества водяных паров и капель воды в воздухе, а также углекислоты. Ослабление излучений в атмосфере обусловливается процессами рассеяния, которые находятся в зависимости от характера, размеров и статического распределения рассеивающих частиц в атмосфере.

Инфракрасные лучи поглощаются и рассеиваются в атмо­сфере молекулами атмосферных газов, а также твердыми части­цами и каплями воды (туманами).

Наиболее сильными полосами поглощения водяного пара яв­ляются следующие участки длин волн (цифры указывают цент-

ПРОХОЖДЕНИЕ ИНФРАКРАСНЫХ ЛУЧЕЙ ЧЕРЕЗ ОПТИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ И ГАЗЫ

Длина волны в мк Рис. 11, Полосы поглощения углекислоты в атмосфере

Ры полос): 0,95; 1,13; 1,38; 1,46; 1,87; 2,66; 3,15; 6,26; 11,7; 12,6; 13,5; 14,3 мк.

В этих участках спектра энергия инфракрасных лучей, про­ходящих через атмосферу, поглощается в весьма значительной

Степени. Наряду с полосами поглощения в водяном паре имеют­ся полосы пропускания, в которых энергия инфракрасных лучей проходит без заметного поглощения.

Углекислота характеризуется интенсивным поглощением при длинах волн примерно 2—2,6, 4,3 и особенно от 12,8 до 17,3 мк (рис. 11). Поглощающее действие углекислоты в первых двух ‘участках спектра можно не учитывать, так как содержание ее

В воздухе по сравнению с содержанием водяного пара не­велико.

Кривая на рис. 12 получена для определенной толщины слоя воздуха без пыли и тумана и показывает полосы пропускания излучения. Основная часть полос поглощения характеризуется наличием в атмосфере паров воды и углекислого газа и значи­тельно меньше — наличием озона.

Согласно теоретическим исследованиям, рассеяние лучистой энергии частицами, размеры которых малы по сравнению с дли* ной ее волны, обратно пропорционально четвертой степени дли­ны волны. Следовательно, с уменьшением волны рассеяние уве­личивается. Рассеиваемую такими частицами энергию можно определить через коэффициент рассеяния є, характеризующий степень ослабления радиации в единичной толще атмосферы в результате взаимодействия потока излучения с молекулами среды, вызывающего перераспределение энергии,

Я2(я2— I)2 м. 2 .

Є = ———————————————- — (1 + COS2 ф),

2 NX* V

Где п— показатель преломления вещества частиц;

N— число частиц в единице объема;

Ф—угол между направлениями падающего луча и рас­сеянного; К— длина волны.

Коэффициент рассеяния зависит от угла ф и от свойств сре­ды. Из приведенной формулы следует, что приф=0 и 180° рас­сеяние максимально.

Общее ослабление энергии / инфракрасных лучей в слое ат­мосферы толщиной х, вызываемое рассеянием энергии и погло­щением ее, характеризуется коэффициентом ослабления k. ,

Коэффициент ослабления представляет собой величину, по­лучающуюся в результате сложения коэффициентов рассеяния и поглощения и имеет размерность, обратную длине, напри­мер 11м.

Для определения коэффициента ослабления может служить формула

1 = = 10е~{а-г)х,

Где /0— энергия излучения до прохождения слоя ТОЛЩИНОЙ XI I— энергия излучения после прохождения слоя; е— основание натуральных логарифмов.

Более подробно свойства инфракрасного излучения освеще­ны в главах III и IV при рассмотрении вопросов практического применения его для различных целей тепловой обработки ма­териалов.

Ваш отзыв

Рубрика: ГАЗОВЫЕ ГОРЕЛКИ ИНФРАКРАСНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *