Wärmetransportphänomene - Lehrstuhl für Thermodynamik - TUM

5.7. GASSTRAHLUNG 55
5.7 Gasstrahlung
Wir sind bisher bei der Diskussion des Strahlungaustausches davon ausgegangen, dass die
Wärmestrahlung den Raum zwischen den austauschenden Oberflächen ungehindert passiert.
Dies ist streng genommen nur im Vakuum gültig, da Gase Strahlung sehr wohl absorbieren
und damit auch emittieren (Kirchhoffsches Gesetz !) können. Dies geschieht allerdings nur in
engen Wellenlängenbereichen, sog. Banden.
Für technische Anwendungen ist meist nur die Gasstrahlung im Infraroten von Bedeutung.
In diesem Wellenlängenbereich (lambda > 0,7µm) absorbieren bzw. emittieren die bei der
Diskussion des globalen Treibhauseffektes im letzten Abschnitt schon genannten ” Treibhausgase“.
Da Wasserdampf und/oder Kohlendioxid bei der Verbrennung von fossilen und
regenerativen Brennstoffen entstehen und in Brennräumen in hohen Konzentrationen und bei
hoher Temperatur vorliegen, trägt die mit diesen Gasen verbundene Strahlung wesentlich zum
Wärmeübergang in den Feuerungen von Dampferzeugern und Industrieöfen bei.
Umgekehrt wechselwirken Stickstoff und Sauerstoff, die Hauptbestandteile der Luft, kaum
mit der Wärmestrahlung.
5.8 Strahlung & Wärmeübergang
Wie schon erwähnt können die unterschiedlichen Mechanismen des Wärmetransportes auch
nebeneinander auftreten, entsprechend einer Parallelschaltung von Wärmetransportwiderständen.
In diesem Abschnitt betrachten wir das Zusammenspiel von Wärmestrahlung und Wärmeübergang
am Ausdehnungskolben eines Thermometers ”1”, das mit den Wänden ”2” eines Raumes
Strahlung austauscht und gleichzeitig Wärme an die Raumluft mit der Temperatur T oo
überträgt (siehe Abb. 5.11). Anhand dieses Beispieles lässt sich das Zusammenwirken der
beiden Wärmetransportmechanismen gut verdeutlichen, gleichzeitig lernen wir einen weiteren
Thermometerfehler kennen.
Die Gasstrahlung wird vernachlässigt, die (hin und her) transportierten Strahlungsströme
stören weder sich selbst noch den Wärmeübergang, d.h. der Strahlungstransport erfolgt parallel
zum konvektiven Transport und unbeeinflusst durch den Luftraum 5 .
Der Ausdehnungskolben des Thermometers ist als ein kleines Objekt in großer Umgebung
anzusehen, C12 = ɛ1 σ. Damit lautet die Wärmebilanz für den Stationärzustand:
α1A1(T∞ − T1) − ɛ1 σ A1 (T 4 1 − T 4 2 ) = 0,
und man erhält den Thermometerfehler der zweiten Art:
T∞ − T1 = (T 4 1 − T 4 2 ) ɛ1 σ
5 In Außenbereichen ist die atmosphärische Gegenstrahlung zu berücksichtigen, siehe [2]
α1
.