气体的热辐射

1、加热炉 第五讲气体的热辐射 气体的热辐射与加热炉 高温烟气与炉管 高温烟气与炉墙 实际气体的辐射与吸收有什么特点？实际气体的辐射与吸收有什么特点？ 气体的热辐射的特点 具有选择性具有选择性 在整个容积中进行在整个容积中进行 一 气体辐射对波长的选择 1. 不同种类的气体的辐射和吸收能力各不相同 * 单原子和分子结构对称的双原子气体，如惰性气单原子和分子结构对称的双原子气体，如惰性气 体、体、H2、N2、O2、空气等：无反射和吸收的能、空气等：无反射和吸收的能 力力可以看作透明体。可以看作透明体。 * 三原子、多原子及结构不对称的双原子，如三原子、多原子及结构不对称的双原子，如CO2、 H2O、SO2、CO、CH4等：有相当大的辐射能力等：有相当大的辐射能力 和吸收能力和吸收能力吸收性气体吸收性气体。 2. 气体辐射对波长具有强烈的选择性 每一种气体只有在一定的波长范围内才有辐射和吸收能力（光带光带） O3可以全部吸收波长小于0.3m的紫外线 工程燃烧的主要产物CO2、H2O（汽）的光带均在波长大于2.5m处， 各有三条光带，其中有两条互相重叠 光带光带 / m CO2 H2O 第一光带

2、第一光带 2.65 2.80 2.55 2.84 第二光带第二光带 4.15 4.45 5.6 7.6 第三光带第三光带 13.0 17.0 12.0 30.0 二氧化碳和水蒸气的辐射光带波长范围 一一 气体辐射对波长的选择气体辐射对波长的选择 1. 这些光带都在可见光之外，所以即使高温下，肉眼也无这些光带都在可见光之外，所以即使高温下，肉眼也无 法看到这些气体法看到这些气体 2. 温度增加时，体气的黑度是下降的温度增加时，体气的黑度是下降的 二、气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的 吸收：辐射到气体层界面上的辐射能在辐射行程中被吸辐射到气体层界面上的辐射能在辐射行程中被吸 收减弱收减弱，减弱的程度取决于辐射强度及途中所遇到的分减弱的程度取决于辐射强度及途中所遇到的分 子数目子数目（与与射线行程长度射线行程长度及及气体密度气体密度有关有关） 温室效应 地球大气中起温室作用的气体 二氧化碳二氧化碳、甲烷甲烷、水蒸气水蒸气、臭氧臭氧、NOX、氟利昂等氟利昂等 三三 气体辐射规律气体辐射规律 气体的辐射和吸收是气层厚度气体的辐射和吸收是气层厚度L、气体的温度、气体的温度T和分压和分压p（密度

3、）的函数（密度）的函数 = f（T，pL） 设热射线穿过厚度为设热射线穿过厚度为L的吸收性气体，的吸收性气体， 其能量沿途被气体分子吸收。随着距离其能量沿途被气体分子吸收。随着距离x的的 增大，射线的强度不断削弱。设在增大，射线的强度不断削弱。设在x = 0处，处， 单色辐射强度为单色辐射强度为I,0，在，在x处为处为I,x。在。在x处取处取 一厚度为一厚度为dx的薄层气体微元。射线穿过气体的薄层气体微元。射线穿过气体 薄层微元后，辐射强度减弱为薄层微元后，辐射强度减弱为I,x dI,x。减。减 少量少量dI,x I,x dx，于是，于是 dI,x = - k I,x dx 三三 气体辐射规律气体辐射规律 贝尔定律：贝尔定律： 贝尔定律表明单色辐射在吸收性介质中传播时其强度按指数递减。贝尔定律表明单色辐射在吸收性介质中传播时其强度按指数递减。 L I Ix x dxk I dI L 0, , , 0, Lk I I L 0, , ln 0, , , I I L L Lk L e , Lk LL e 11 , 当当L时，时， ，这意味着当气体层非常厚时具有黑体的，这意味着当气体层非常厚时

4、具有黑体的 性质。性质。 1 , LL 无限厚的气体层是否可以看作是黑体？ 工程上关心的是确定气体所有光带内辐射能量的 总和 g 需要首先确定气体的发射率 4 gg TAQ 然后利用 计算气体的发射辐射 g 由于气体的容积辐射特性， 与射线程长关L系 密切，而L取决于气体容积的形状和尺寸 0 /EEg g 四四 平均射线行程长度平均射线行程长度 当量半球：指该半球内气体的压强、温度与组成同所研究的特定形状当量半球：指该半球内气体的压强、温度与组成同所研究的特定形状 中气体的状况完全相同，且该半球内气体对球心微元表面中气体的状况完全相同，且该半球内气体对球心微元表面 的辐射能力等于所研究的特定形状中全部气体对某指定表的辐射能力等于所研究的特定形状中全部气体对某指定表 面的辐射能力。面的辐射能力。 当量半球的半径：有效气层厚度。又称平均辐射长度。当量半球的半径：有效气层厚度。又称平均辐射长度。 四四 平均射线行程长度平均射线行程长度 在缺少资料的情况下，有效气层厚度在缺少资料的情况下，有效气层厚度L可用经验公式近似计算：可用经验公式近似计算： A V L5 . 3 V气体的体积；气体的体积

5、；A包围气体表面的面积。包围气体表面的面积。 注意：对于同一几何形状，有效气层厚度还与被辐射的表面在容器注意：对于同一几何形状，有效气层厚度还与被辐射的表面在容器 壁面上的位置有关。壁面上的位置有关。（书上（书上296页表页表73） （气体对整个包面）（气体对整个包面） 五五 CO2和和H2O气的黑度气的黑度 从大量实验研究表明，从大量实验研究表明，CO2的辐射能力的辐射能力 气体温度气体温度 Tg3.5；水蒸气；水蒸气H2O的辐射能力的辐射能力 气体温度气体温度Tg3。为了计算。为了计算 方便，使气体和固体一样都能应用方便，使气体和固体一样都能应用Stefan-Boltzmann定律，定律， 即辐射能力即辐射能力 Tg4，将与四次方有偏差的部分包括在气体，将与四次方有偏差的部分包括在气体 的黑度的黑度g中。中。 实际固体的黑度与实际气体的黑度的不同？实际固体的黑度与实际气体的黑度的不同？ 五五 CO2和和H2O气的黑度气的黑度 五五 CO2和和H2O气的黑度气的黑度 0 222 COCOCO C 五五 CO2和和H2O气的黑度气的黑度 五五 CO2和和H2O气的黑度气的黑度 当当p

6、1atm， pH2O 0时的时的水蒸汽辐射的修正系数水蒸汽辐射的修正系数 0 222 OHOHOH C 五五 CO2和和H2O气的黑度气的黑度 CO2与水蒸气光谱重叠校正因数与水蒸气光谱重叠校正因数 CO2 CO2/(CO2 + H2O) H2O g-烟气中光谱重叠的校正量，烟气中光谱重叠的校正量， g2-5%； 烟气中如存在烟气中如存在SO2，通常可计算在，通常可计算在 CO2组分中。组分中。 为什么总的为什么总的PL值越大，值越大， 修正因子越高？修正因子越高？ 六六 CO2和和H2O气的吸收率气的吸收率 1. CO2和和H2O气的吸收率不仅与气体温度气的吸收率不仅与气体温度Tg、分压及气、分压及气 体厚度有关，还与投入气体的辐射光谱有关。因为体厚度有关，还与投入气体的辐射光谱有关。因为 CO2和和H2O气对投入辐射的波长有选择性地吸收，气对投入辐射的波长有选择性地吸收，所所 以不能把气体当作灰体和漫射体以不能把气体当作灰体和漫射体 2. 气体的吸收率气体的吸收率g不等于同等温度下的黑度不等于同等温度下的黑度g 3. 在加热炉中，投入辐射来自气体的包壳壁面，这些壁在加热炉中，投入辐

7、射来自气体的包壳壁面，这些壁 面近似于黑体或灰体，它的辐射光谱取决于壁面温度面近似于黑体或灰体，它的辐射光谱取决于壁面温度 TW，所以，所以CO2和和H2O气的吸收率也与气的吸收率也与TW有关。有关。 六六 CO2和和H2O气的吸收率气的吸收率 实验表明，二氧化碳和水蒸气的黑度与吸收率之间有如下关系实验表明，二氧化碳和水蒸气的黑度与吸收率之间有如下关系 65. 0 * CO 2 2 2 C W g COCO T T 45. 0 * 0H 222 C W g OHOH T T * 2 CO * 2O H 用用TW代替代替Tg，用，用 代替代替 ，查图得到。，查图得到。 g W CO T T Lp 2 LpCO 2 用用TW代替代替Tg，用，用 代替代替 ，查图得到。，查图得到。 g W OH T T Lp 2 Lp OH2 气体中同时含有两种气体时，吸收率为气体中同时含有两种气体时，吸收率为 gOHCOg 1 22 注意：只有包壳近似看作黑体时，才能应用这些公式 例：例： 在直径为在直径为1m，长，长2m的圆形烟道中，有温度为的圆形烟道中，有温度为 1027的烟气通过。若烟气总压力为的烟

8、气通过。若烟气总压力为105Pa，其中，其中 二氧化碳占二氧化碳占10%，水蒸气占，水蒸气占8%，其余为不辐射气，其余为不辐射气 体，试计算：体，试计算： （1）烟气对整个包壁的平均发射率；）烟气对整个包壁的平均发射率； （2）若烟道壁温）若烟道壁温tW = 527，其它条件不变，试，其它条件不变，试 确定烟气对外壳辐射的吸收率。确定烟气对外壳辐射的吸收率。 解：解： （1）辐射率）辐射率 由表由表73查得烟气的平均辐射长度查得烟气的平均辐射长度 L = 0.73D = 0.731 = 0.73(m) pCO2L = 0.11050.73 = 7.3103(Pa m) = 0.072(atm.m) pH2OL = 0.081050.73 = 5.84103(Pa m) = 0.058(atm.m) 烟气温度烟气温度: Tg = 1027 + 273 = 1300(K) 查图得：查图得： CO2 = 0.09 H2O = 0.068 atmPapp OH 53. 0)(104 . 51008. 01 2 1 2 1 45 2 556. 0 08. 01 . 0 1 . 0 22 2 22 2 OHCO CO pp p OHCO CO （pCO2 + pH2O）L =（0.1 + 0.08）1050.73 = 0.131105 (Pa m) 查图得：查图得： CCO2 = 1.0 CH2O = 1.05 g = 0.02 gOHOHCOCOg CC1 00 2222 = ( 10.09 + 1.050.068 )( 1 0.02 ) = 0.158 （2）吸收率）吸收率 TW = 527 + 273 = 800(K) ).(044. 0).(10045. 0 1300 800 10073. 0 55 2 matmmPa T T Lp g W CO ).(036. 0).(10036. 0 1300 800 100584. 0 55 2 matmmPa T T Lp g W OH 查图得：查图得： CO2* = 0.088 H2O* = 0.085 121. 0 800 1300 088. 0 65. 0 65. 0 22 W g COCO T T 106. 0 800 1300 085. 0 45. 0 45. 0 22

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