Излучательную способность
В основе оценки опасности огненных шаров как источников нагрева объектов, попадающих в зону интенсивного излучения, лежат закономерности переноса от них теплов/эй энергии. При оценке излучательной способности огненных шаров обычно предполагалось, что они представляют собой абсолютно черное тело. Однако в действительности они имеют весьма низкую излучательную способность. Например, излучение водородного огненного шара невелико, и объекты, находящиеся, вне его радиуса практически не испытывают теплового поражения; напротив, объекты в радиусе действия огненного шара подвергаются интенсивному тепловому облучению. Однако излучатель-ная способность огненных шаров, возникших при взрыве перегретых горючих жидкостей, меньше излучательной способности горящих разлитых нефтепродуктов. Поскольку количественные оценки поражающего воздействия лучистой энергии подробно описаны в многочисленной литературе по борьбе с пожарами, в данном разделе огненные шары как источники лучистой энергии не рассматриваются.
Рис. 2.18. Зависимость излучательной способности абсолютно черного тела от длины волны и температуры (а); сравнение излучательной способности идеальных абсолютно черных и серых тел с излучательной способностью реального тела (заимствовано из работы (б) [ 145] 1 - спектр излучения реального тела
Зависимость монохроматической излучательной способности от X для воображаемого реального тела показана на рис. 2.18, б. Удобно ввести понятие серого тела (или идеального неабсолютно черного тела) , для которого е не зависит от длины волны. Хотя оно является идеализацией реального положения вещей, его введение облегчает использование уравнения Стефана-Больцмана [ уравнение (2 .4) ] . Характерные значения е для твердых тел приведены в табл. 2.5. В соответствии с законом Кирхгофа относительная излучательная способность тела равна его по-глощательной способности. Это вытекает из первого закона термодинамики. Так, абсолютно черное тело является также и абсолютным поглотителем излучения с коэффициентом поглощения а = 1 .
могут иметь температуры, доходящие до 1100°С (1373 К), что соответствует максимальной излучательной способности в 20 Вт/см2 при е=1. Это верно в случае достаточно большой горючей нагрузки (иначе горения не будет, поскольку для достижения указанных температур требуется достаточное время) или в случае пожара, развитие которого не определяется размерами открытой для горения поверхности материалов (гл. 10). В работе [222] считается, что при выполнении этих условий область горения имеет излучательную способность 17 Вт/см2, в противном случае ее излучательная способность принимается равной 8,5 Вт/см2.
Из двух членов в левых частях уравнений (2.66) и (2.67), которые отображают лучистые тепловые потоки, воспринимаемые пластинами, первый содержит е2. Эта величина эквивалентна произведению относительной излучательной способности тела, излучающего тепло, и погло-щательной способности тела, воспринимающего тепло. Второй член относится к тепловому излучению тел с температурой окружающей среды и им можно пренебречь. Согласно диаграмме, приведенной на рис. 2.26, AiF1;2 = A2F2)i ^ 0,75. Тогда приведенные выше уравнения примут
Согласно закону Кирхгофа, она равна относительной монохроматической излучательной способности е\ для той же длины волны X. Соотно-
Характеристики объема газа, содержащего диоксид углерода и пары воды, отличаются от характеристик серого тела, поскольку относительная излучательная способность для него существенно зависит от длины волны (см. рис. 2.30). В работе [190] разработан эмпирический метод, позволяющий определить относительную излучательную способность эквивалентного серого тела для объема горючего газа, содержащего указанные вещества (в работе рассматривались и другие газы, но для нас здесь важны именно С02 и Н20). Процедура основана на серии тщательных измерений теплового излучения горячего углекислого газа и паров воды (совместного и раздельного) при разных равномерно распределенных по объему температурах и парциальных давлениях, а также при разных формах объема излучающего газа. Известно, что относительная излучательная способность, соответствующая единственной длине волны, зависит от концентрации излучающего вещества и длины пути луча через излучающий газ, если смотреть на него со стороны приемника излучения (см. рис. 2.31). Первым шагом, предпринятым авторами работы [190], было определение эффективной общей излучательной способности С02 и водяного пара в зависимости от температуры для ряда значений произведения pL, где р — парциальное давление излучающего вещества, a L — средняя эквивалентная длина луча, которая зависит от геометрической формы объема газа (табл. 2.8). Соответствующие результаты приведены на рис. 2.32. Если парциальное давление излучаю-
хотя приведенное значение должно рассматриваться как в высшей степени приближенное в силу некоторой произвольности принятых допущений. Тем не менее оно не так уж отличается от значений относительной излучательной способности, приведенных в работе [333]. Низкая относительная излучательная способность пламени оказывает существенное влияние на характеристики горения топлива данного вида. Этот вопрос будет обсуждаться в разд. 5.1.1.
В разработке методов расчета относительной излучательной способности несветящихся газообразных продуктов горения был достигнут значительный прогресс [107]. Хотя рассмотрение этих методов выходит за рамки настоящего руководства, уместно отметить, что с их помощью установлена приемлемость значений относительной излучательной спо-
собности, определяемых с помощью вышеописанного эмпирического метода, в диапазоне до 1000°К. При более высоких температурах и в особенности при больших длинах пути луча метод, предложенный в работе [190], дает явно заниженные оценки относительной излучательной способности, вероятно, в результате введения чрезмерной поправки на перекрытие диапазонов излучения. Эти методы применяются к газам с однородным распределением температуры и составом. Если, как это бывает в реальном пламени, внешние его области холоднее внутренних, то будет иметь место частичное поглощение излучения и, следовательно, уменьшение излучательной способности. Этот эффект значительно более выражен в светящихся пламенах и слоях горячего дыма [150, 286].
В литературе' приводится ряд эмпирически полученных значений К (табл. 2.9). Они позволяют определить приближенные значения излучательной способности при условии, что известна температура пламени. Присутствие частиц сажи в пламени повышает теплоотдачу, поэтому чем больше сажи в пламени, тем ниже его средняя температура. Так, в работе [333] установлено, что несветящееся пламя, образующееся при горении метанола, имеет среднюю температуру 1200°С, а светящиеся пламена при горении керосина и бензола бывают значительно холоднее (990 и 921°С соответственно). Значение этих различий будет рассматриваться в разд. 5.1.
В основе оценки опасности огненных шаров как источников нагрева объектов, попадающих в зону интенсивного излучения, лежат закономерности переноса от них теплов/эй энергии. При оценке излучательной способности огненных шаров обычно предполагалось, что они представляют собой абсолютно черное тело. Однако в действительности они имеют весьма низкую излучательную способность. Например, излучение водородного огненного шара невелико, и объекты, находящиеся, вне его радиуса практически не испытывают теплового поражения; напротив, объекты в радиусе действия огненного шара подвергаются интенсивному тепловому облучению. Однако излучатель-ная способность огненных шаров, возникших при взрыве перегретых горючих жидкостей, меньше излучательной способности горящих разлитых нефтепродуктов. Поскольку количественные оценки поражающего воздействия лучистой энергии подробно описаны в многочисленной литературе по борьбе с пожарами, в данном разделе огненные шары как источники лучистой энергии не рассматриваются.
Самым совершенным излучателем является абсолютно черное тело, которое имеет излучательную способность, равную единице. Интенсивность лучистой энергии (q"), падающей на поверхность, удаленную от излучающего тела, определяется с помощью соответствующего коэффициента облученности Ф, который учитывает геометрическую связь между излучающим телом и телом, воспринимающим излучение,
Соотношение (2.4) позволяет определить суммарный тепловой поток, излучаемый поверхностью тела. Для расчета интенсивности излучения на расстоянии от излучающей поверхности необходимо учитывать так называемый коэффициент облученности. Рассмотрим две поверхности (1 и 2), одна из которых (./) имеет излучательную способность EI (рис. 2.21). Интенсивность излучения, падающего на малый элемент поверхности 2 (dA2), можно определить, если известна энергия, излучаемая малым элементом поверхности dAi в пределах элементарного телесного угла, под которым элемент dA2 виден из центра элемента dAj :
могут иметь температуры, доходящие до 1100°С (1373 К), что соответствует максимальной излучательной способности в 20 Вт/см2 при е=1. Это верно в случае достаточно большой горючей нагрузки (иначе горения не будет, поскольку для достижения указанных температур требуется достаточное время) или в случае пожара, развитие которого не определяется размерами открытой для горения поверхности материалов (гл. 10). В работе [222] считается, что при выполнении этих условий область горения имеет излучательную способность 17 Вт/см2, в противном случае ее излучательная способность принимается равной 8,5 Вт/см2.
Характеристики объема газа, содержащего диоксид углерода и пары воды, отличаются от характеристик серого тела, поскольку относительная излучательная способность для него существенно зависит от длины волны (см. рис. 2.30). В работе [190] разработан эмпирический метод, позволяющий определить относительную излучательную способность эквивалентного серого тела для объема горючего газа, содержащего указанные вещества (в работе рассматривались и другие газы, но для нас здесь важны именно С02 и Н20). Процедура основана на серии тщательных измерений теплового излучения горячего углекислого газа и паров воды (совместного и раздельного) при разных равномерно распределенных по объему температурах и парциальных давлениях, а также при разных формах объема излучающего газа. Известно, что относительная излучательная способность, соответствующая единственной длине волны, зависит от концентрации излучающего вещества и длины пути луча через излучающий газ, если смотреть на него со стороны приемника излучения (см. рис. 2.31). Первым шагом, предпринятым авторами работы [190], было определение эффективной общей излучательной способности С02 и водяного пара в зависимости от температуры для ряда значений произведения pL, где р — парциальное давление излучающего вещества, a L — средняя эквивалентная длина луча, которая зависит от геометрической формы объема газа (табл. 2.8). Соответствующие результаты приведены на рис. 2.32. Если парциальное давление излучаю-
кого или теоретического уравнения), соотношение (2.4) остается в силе. Если температура пламени известна, то излучательную способность можно определить, используя значение средней эквивалентной длины луча (табл. 2.8), но для оценки лучистого теплового потока на расстоянии необходимо прежде вычислить коэффициент облученности. Он в общем случае рассчитывается, исходя из предположения, что пламя может быть приближенно представлено в виде простой геометрической формы, например прямоугольника, высота которого в 1,5—2 раза превышает диаметр слоя горючего материала (разд. 4.3.2). Для определения соответствующего коэффициента облученности могут быть использованы диаграммы на рис. 2.22 или табл. 2.6 (разд. 4.1.1). Такой тип модели использовался для расчета интенсивности теплового излучения в различных зонах нефтехимического завода при аварийных ситуациях (например, пожаре резервуара или аварийной вспышке) [342].
Известно, что при температуре пламени заметно излучают только трехатомные газы, т. е. для распространенных горючих систем, образованных элементами Н—С—N—О, —двуокись углерода и вода. Излучательная способность слоя газа заданной толщины определяется концентрациями этих компонентов. Излучательную способность принято характеризовать степенью черноты е — отношением излу-чательной способности данного объекта и абсолютно черного тела. Наиболее подробные сведения об излучательной способности газов были получены Хоттелем и сотр. [163], они хорошо согласуются с данными других исследователей [164—166 ].
Излучательную способность принято характеризовать степенью черноты е — отношением интенсивностей теплового излучения данного тела и абсолютно черного тела, очевидно, что е^1. Величина е в равной степени определяет и поглощательную и излуча-тельную способность тела. Для многих твердых тел величина е близка к единице, однако для газов она значительно меньше; при этом она зависит от состава газа, толщины его слоя и давления.
Излучение пламени, по-видимому, имеет нетепловую природу всегда. Это очевидно для гомогенных пламен смесей ЬЬ+Ог и углеводородных смесей с а>1. Однако излучательную способность и очень богатых углеродсодержащих пламен с а = 0,5 и 0,4
Для конкретных условий распространения воздушной УВ, генерируемой от взрыва заряда КВВ, приведенные выводы можно трансформировать следующим образом: в диапазоне 1 < г/го < 10 толщина слоя АД за фронтом воздушной УВ увеличивается практически линейно с одновременным падением температуры Tf и давления Ар/, что приводит к росту интегрального коэффициента черноты слоя воздуха во фронте воздушной УВ (ед = 0 при г/го = 1). В соответствии с соотношением (18.18), энергетическая светимость воздушной У В в определенном спектральном диапазоне пропорциональна температуре воздушной УВ в четвертой степени и функционалу ^(ДА, Т/). В диапазоне температур, соответствующих воздушной УВ, влияние произведения T4.F(AA, Т/) на излучательную способность воздушной УВ в области 1 < r/rg < 10 при снижении температуры уменьшается медленнее по сравнению с ростом интегрального коэффициента черноты. Поэтому
 Читайте далее:
 Изменения интенсивности
Изменения наблюдались
Изменения напряжения
Изменения отдельных
Изменения положения
Измерение сопротивления
Изменения состояния
Изменения температур
Измерение твердости
Измерительные устройства
Измерительной аппаратуры
Измерительного устройства
Изоляционные материалы
Изолированными проводами
Изолируемой поверхности
|
