1、Chapter 8熱輻射的基本定律熱輻射的基本定律 Radiation Exchange8.1 基本概念基本概念(Fundamental Concepts)一一、 熱輻射的本質(zhì)熱輻射的本質(zhì)(Nature of thermal radiation)熱輻射熱輻射(Thermal radiation)：是由于物體內(nèi)部微觀粒子的熱運動狀態(tài)改變，而將部分內(nèi)能轉(zhuǎn)換成電磁波的能量發(fā)射出去的過程。輻射輻射(Radiation)：物體通過電磁波傳遞能量的現(xiàn)象。1. 熱射線熱射線(Thermal radiation)：熱輻射產(chǎn)生的電磁波。它包含部分紫外線(Ultraviolet)、全部可見光(Visible)和紅

2、外線(Infrared) 。波長范圍 =0.1-1000 m 紫外線紫外線(Ultraviolet)： 0.38 m 可見光可見光(Visible)： =0.38-0.76 m 紅外線紅外線(Infrared)： =0.76-1.4 m(近紅外線近紅外線) =1.4-3.0 m(中紅外線中紅外線) =3.0-1000 m(遠(yuǎn)紅外線遠(yuǎn)紅外線) 工程實際中遇到的大部分物體工程實際中遇到的大部分物體T0K，都會不斷發(fā)射熱射線。二、二、 吸收率、反射率、透射率吸收率、反射率、透射率 總投射能總投射能G(Total irradiation) G= G+ G + G 吸收率吸收率(Absorptivity

3、) G/G 反射率反射率(Reflectivity) G/G 透射率透射率(Transmissivity) G/G Energy conservation + + 1 If the medium is opaque, there is no transmission, then 0，+1 For gases, there is no reflection, then 0，+1 黑體(Black-body)： 1 白體(White-body) ： 1； 透明體(Transparent-body) ： 1三、輻射力和有效輻射三、輻射力和有效輻射(Emissive power and Radiosi

4、ty)輻射力輻射力(Emissive power)：單位時間內(nèi)物體的單位輻射面積向外界(半球空間)發(fā)射的全部波長的輻射能稱為輻射力(或發(fā)射輻射)。 相同溫度下以黑體的輻射力Eb最大，而實際物體的輻射力為： EEb （W/m2）式中，物體的發(fā)射率；1. Eb同溫度下黑體的輻射力，W/m2。有效輻射有效輻射(Radiosity)：物體表面除了向外界發(fā)射輻射外，其它物體投射到該表面上的投射輻射還有部分被反射。發(fā)射輻射和反射輻射之和稱為有效輻射。記為J (單位W/m2) J=E+GRadiosity=reflected portion of the irradiation+direct emissio

5、n四、定向輻射強度四、定向輻射強度(Directional radiation intensity)可見輻射面積可見輻射面積(Projected area)1. 一表面在某一方向上的可見輻射面積，即為該方向上可以看得見的輻射面積，它是該表面在該方向上的投影。cos dAdAs2. 立體角立體角(Solid angle) 平面角平面角(Plane angle)：ddl/r，radians(rad) 立體角立體角(solid angle) ：d=dAn/r2，steradian(sr)2. 立體角立體角(Solid angle)續(xù)續(xù)dddddrdrrddAsinsinsin22. 立體角立體角(S

6、olid angle)續(xù)續(xù)The solid angle associated with the entire hemisphere may be obtained by integrating the above Equation over the limits =0 to 2 and =0 to =/2. Hence hsrdddd202/02/0)(2sin2sindddsin3. 定向輻射定向輻射(強強)度度 (Directional radiation intensity)單位時間內(nèi)，單位可見輻射面積在某一方向p的單位立體角內(nèi)所發(fā)出的總輻射能(發(fā)射輻射和反射輻射)，稱為該方向的定向輻

7、射(強)度。cos1dAddIWhere,dA1cos is the projected area. In effect it is how dA1 would appear to an observer situated on dAn.d is the radiation rate passing through dAn. 由于表面輻射能包含發(fā)射輻射和反射輻射，所以定向輻射(強)度又可以寫成。,reIIIwhere，Ie,The directional intensity of the emitted radiation， (定向發(fā)射輻射度)，W/(m2sr)；Ir,The directio

8、nal intensity of the reflected radiation， (定向反射輻射度)，W/(m2sr)；五、漫射表面五、漫射表面(Diffuse surface )漫發(fā)射表面漫發(fā)射表面(Diffuse emitter)：能向半球空間各方向發(fā)出均勻輻射度的發(fā)射輻射的物體表面稱為漫發(fā)射表面。(黑體只有漫發(fā)射，無反射輻射)漫反射表面漫反射表面(Diffuse reflector)：物體表面在半球空間范圍內(nèi)各方向上都有均勻的反射輻射度,則該表面稱為漫反射表面。(白體只有漫反射)漫射表面漫射表面(diffuse surface)：既是漫發(fā)射表面,又是漫反射表面,則該表面稱為漫射表面。8

9、.2 8.2 黑體輻射的基本定律黑體輻射的基本定律一、黑體的性質(zhì)一、黑體的性質(zhì)(Blackbodys properties)v The blackbody is an ideal surface having the following properties.A blackbody absorbs all incident radiation, regardless of wavelength and direction. Namely =1.For a prescribed temperature and wavelength, no surface can emit more energy

10、 than a blackbody. Namely =1.Although the radiation emitted by a blackbody is a function of wavelength and temperature, it is independent of direction. That is, the blackbody is a diffuse emitter. v 黑體模型黑體模型(Blackbody cavity) 空腔上的小孔具有黑體的性質(zhì)。 具有小孔的均勻壁溫空腔可作為黑體模型。二、普朗克定律二、普朗克定律(Plancks law)物體的光譜輻射力物體的光譜

11、輻射力(Spectral emissive power)物體的光譜輻射力E為在波長+d的波長范圍內(nèi)輻射力dE與波長間隔d 的比值，即 ddEE2. 普朗克定律普朗克定律(Plancks law)黑體光譜輻射力Eb隨波長和溫度T變化的函數(shù)關(guān)系1exp251TccEbWhere, wavelength, m；Tthe absolute temperature of the blackbody，Kc1the first radiation constant, c1=3.742108Wm4/m2 c2the second radiation constant, c2=1.439104 m K黑體光譜輻

12、射力與波長和溫度的關(guān)系黑體光譜輻射力與波長和溫度的關(guān)系Eb隨波長連續(xù)變化；0或時Eb0；對任一波長，其Eb隨溫度T的升高而增加；任一溫度T下的Eb有一極大值，其對應(yīng)的波長為max，且隨著溫度增加max變小，集中較多輻射能的區(qū)域向短波方向移動。三、三、 維恩定律維恩定律(Wiens Displacement Law)3maxcT where the third radiation constant is c3=2897.8 mK.黑體光譜輻射力Eb為極大值時的波長max與溫度T的關(guān)系：維恩定律是光譜測溫的基礎(chǔ)！例如太陽：max=0.5 mT=5800K四、斯蒂芬四、斯蒂芬波爾茲曼定律波爾茲曼定律

13、 The Stefan-Boltzmann law44002511001expTcTdTccdEEbbbb四次方定律：四次方定律：黑體輻射力Eb與其熱力學(xué)溫度的四次方成正比。 式中，b黑體輻射常數(shù)， b=5.6710-8 W/(m2K4)；cb黑體輻射系數(shù)， cb=5.67 W/(m2K4)；黑體波段輻射力：黑體波段輻射力：黑體在某一特定波長范圍內(nèi)的輻射能。)0()0()(1221bbbEEE黑體輻射函數(shù)：黑體輻射函數(shù)：在0-波長范圍內(nèi)黑體發(fā)出的輻射能在其輻射力中所占的份額。)(40)0()0(TfTdEEEFbbbbb 黑體輻射函數(shù)Fb(0-)是波長與溫度乘積的函數(shù)，可查表8-2求得。在在

14、1- 2的的波長范圍內(nèi)黑體的波段輻射函數(shù)波長范圍內(nèi)黑體的波段輻射函數(shù)查表8-2可以求得某一特定波長范圍內(nèi)的黑體輻射函數(shù)Fb(1-2)和黑體輻射能Eb(1-2) 。212112121221()00()()(0)(0)bbbbbbbbbE dE dEFEEFFF 五、蘭貝特定律五、蘭貝特定律定向發(fā)射輻射定向發(fā)射輻射(強強)度度Ie, (Directional intensity of radiation) 黑體無反射輻射Ie,= I 定向輻射力定向輻射力E (Directional emissive power) ：單位時間內(nèi)，物體的每單位面積在某一方向p的單位立體角內(nèi)所發(fā)出全波長的輻射能量，稱為

15、該方向的定向輻射力。cos1,dAddIIeecos1IEdAddEe 蘭貝特余弦定律蘭貝特余弦定律 黑體表面具有漫反射性質(zhì)，且在半球空間各個方向上的定向輻射(強)度相等。即coscoscos321nnnnnEEIEIIEIIII 所以又因為所以物理意義物理意義 黑體的定向輻射力隨方向角按余弦規(guī)律變化，法線方向的定向輻射力最大。 漫射表面向半球空間發(fā)射的輻射力漫射表面向半球空間發(fā)射的輻射力2cos dIEeddrdAdsin2eeIddIE sincos2020 結(jié)論：結(jié)論： 對于漫射表面，輻射力是任意方向輻射對于漫射表面，輻射力是任意方向輻射(強強)度的度的 倍。倍。對于漫射非黑體表面對于漫

16、射非黑體表面reIJ8.3 8.3 實際物體和灰體的輻射實際物體和灰體的輻射一、實際物體一、實際物體(Real surface)v 熱輻射有兩個重要特征：一是光譜性質(zhì)，即光譜輻射力隨波長變化；一是方向性，即輻射度因方向而異。1. 實際物體的發(fā)射率實際物體的發(fā)射率44000)()()()(TTTETTETdEdEdEEEbbbbb2. 實際物體的光譜發(fā)射率實際物體的光譜發(fā)射率bEE3. 實際物體的定向發(fā)射率實際物體的定向發(fā)射率bEE4. 實際物體的光譜定向發(fā)射率實際物體的光譜定向發(fā)射率,bEE5. 溫度為溫度為T時實際物體的光譜定向發(fā)射率時實際物體的光譜定向發(fā)射率TbTTEE,6. 實際物體的光

17、譜吸收率實際物體的光譜吸收率GG,7. 實際物體的吸收率實際物體的吸收率GG物體表面對投射輻射能的吸收率為物體表面對投射輻射G在全波長范圍內(nèi)吸收的份額。設(shè)吸收輻射的物體為1，投射輻射的物體(輻射源)為2，則02021)()(),(TGdTGT若投射輻射的物體2為黑體，則02021)()(),(TEdTETbb8. 發(fā)射率與吸收率的比較發(fā)射率與吸收率的比較實際物體表面的發(fā)射率取決于物體的種類、表面溫度和表面狀況。即物體表面的發(fā)射率僅與物體本身性質(zhì)有關(guān)，而與外界環(huán)境無關(guān)。物體發(fā)射率是一個物性參數(shù)（附錄11）。實際物體的吸收率既取決于自身的表面性質(zhì)和溫度，又取決于投射輻射物體的表面性質(zhì)和溫度。因此，

18、實際物體的吸收率不是一個物性參數(shù)。二、灰體二、灰體(Gray surface) 灰體的光譜輻射力與同溫度下黑體的光譜輻射力隨波長的變化曲線相似，或它的光譜吸收率和光譜發(fā)射率不隨波長變化。 Practically speaking, a gray surface may be defined as one for which and are independent of over the spectral regions of the irradiation and the surface emission.constconst 3. 基爾霍夫定律基爾霍夫定律(Kirchheffs law) 揭

19、示實際物體輻射力與吸收率之間的關(guān)系。揭示實際物體輻射力與吸收率之間的關(guān)系。 12221bEEq如圖相距很近的兩平行大平壁，一個平壁的輻射能幾乎全部落在另一個平壁上。設(shè)平壁1為黑體，溫度T1，輻射力Eb1；平壁2為任意平壁，溫度T2，輻射力E2，吸收率2。平壁2、1間輻射傳熱凈熱流密度 3. 基爾霍夫定律基爾霍夫定律(Kirchheffs law) 當(dāng)系統(tǒng)處于熱平衡狀態(tài)，即T1T2T時，q21=0，則22222122EEEEEbbb)()()(.)()()()(2211TETTETTETTEbii由于平壁2為任意物體，上式寫成一般形式基爾霍夫定律：基爾霍夫定律：熱平衡條件下，任何物體的輻射力與它

20、對黑體輻射的吸收率之比恒等于同溫度下黑體的輻射力。結(jié)論結(jié)論 輻射力大的物體，吸收率也大。即善于輻射的物體必善于吸收。 1，同溫度下黑體的輻射力最大。 因為發(fā)射率)()()()()(TTTETETb在與黑體處于熱平衡的條件下，任何物體對黑在與黑體處于熱平衡的條件下，任何物體對黑體輻射的吸收率等與同溫度下該物體的發(fā)射率。體輻射的吸收率等與同溫度下該物體的發(fā)射率。溫度不平衡條件下溫度不平衡條件下1.表面光譜定向發(fā)射率等于它的光譜吸收率表面光譜定向發(fā)射率等于它的光譜吸收率(實驗證實實驗證實)TT,2.漫射表面，輻射性質(zhì)與方向無關(guān)漫射表面，輻射性質(zhì)與方向無關(guān)TT,3.灰體表面，輻射性質(zhì)與波長無關(guān)灰體表面

21、，輻射性質(zhì)與波長無關(guān)TT,4.漫射灰體，輻射性質(zhì)既與方向無關(guān)，也與波長無關(guān)漫射灰體，輻射性質(zhì)既與方向無關(guān)，也與波長無關(guān)TT灰體的吸收率恒等于同溫度下本身的發(fā)射率！灰體的吸收率恒等于同溫度下本身的發(fā)射率！工程應(yīng)用，近似認(rèn)為工程應(yīng)用，近似認(rèn)為Chapter 9表面間輻射換熱表面間輻射換熱Radiation exchange between surfaces影響輻射換熱的因素：表面溫度 表面的幾何特性 表面間的相對位置 表面的輻射性質(zhì)1 1 角系數(shù)角系數(shù)(The view/configuration/shape factor)一、角系數(shù)的定義一、角系數(shù)的定義(Definition of the vi

22、ew factor)The view factor is defined as the fraction of the radiation leaving surface i that is intercepted by surface j.表面i發(fā)出的輻射能中落在表面j上的百分?jǐn)?shù)，稱為表面i對表面j的角系數(shù)。Figure. View factor associated with radiation exchange between elemental surfaces of area dA1 and dA2考慮任意位置兩非凹表面A1和A2，溫度為T1和T2。取微元dA1和dA2，相距r，兩表

23、面的法線與連線r的夾角分別為1和2。11IJ22212cosrdAd21221121coscosdAdArJd 由由dA1投射到投射到dA2的輻射能的輻射能1211121cosddAIdwhere I1 is the intensity of the radiation leaving surface 1 and d2-1 is the solid angle subtended by dA1 when viewed from dA2. 1221221121coscosAAdAdArJThe total rate at which radiation leaves surface 1 and

24、is intercepted by 2 may then obtained by integrating over the two surfaces. That isWhere it is assumed that the radiosity J1 is uniform over the surface 1. From the definition of the view factor as the fraction of the radiation that leaves A1 and is intercepted by A2. 12122122121 ,222121 ,22122112,

25、111212, 1coscos1coscos1AAAAdAdArAXJAXdAdArAXJAX21 , 212, 1AXAX二、角系數(shù)的特性二、角系數(shù)的特性(View factor relations) 角系數(shù)的相對性角系數(shù)的相對性(View factor reciprocity relations) For diffuse emitters and reflectors 角系數(shù)的完整性角系數(shù)的完整性(View factor summation rule) 對于由n個表面組成的封閉系統(tǒng)，根據(jù)能量守恒定律，任何一表面發(fā)出的總輻射能必全部落在組成封閉系統(tǒng)的n個表面上(包括該表面)。因此，任一表面對

26、各表面的角系數(shù)之間存在下列關(guān)系： njnijiiiiijiXXXXXX1,1 ,1 ,13 , 12, 1)32( , 13 , 112, 11)32( , 113 , 1112, 111)32( , 111XXXXAXAXAXAJXAJXAJ 角系數(shù)的分解性角系數(shù)的分解性(View factor reciprocity relations) 根據(jù)能量守恒定律，A1發(fā)出的輻射能中到達(dá)A2+3 (A2+3= A2+ A3)的能量，等于A1發(fā)出的輻射能到達(dá)A2和A3的能量之和。3 , 223 , 113),21(21XAXAXA三、確定角系數(shù)的方法三、確定角系數(shù)的方法(Calculation of

27、 view factor) 由定義出發(fā)直接求得； 積分法：符合蘭貝特定律的漫射表面； 查曲線圖； 代數(shù)分析法：利用角系數(shù)特性和已知的角系數(shù)； 投影法和幾何圖形法。四、查曲線圖求解角系數(shù)四、查曲線圖求解角系數(shù)四、查曲線圖求解角系數(shù)四、查曲線圖求解角系數(shù)四、查曲線圖求解角系數(shù)四、查曲線圖求解角系數(shù)五、用代數(shù)法求解角系數(shù)五、用代數(shù)法求解角系數(shù)三個非凹表面組成封閉空腔三個非凹表面組成封閉空腔(Three-sided enclosure)(1)完整性333233122232211113112AAXAXAAXAXAAXAX(2)互換性332223331113221112AXAXAXAXAXAX213223

28、123113132112222AAAAXAAAAXAAAAX313232323131232121222AAAAXAAAAXAAAAX解得兩無限長非凹表面兩無限長非凹表面(Two infinite surface enclose) 假設(shè)ab, cd, ac, bd構(gòu)成封閉空腔acabbdabcdabbdabacabcdabXXXXXXX,12,11abadbdabXbdab2,abbcacabXacab2,abbdacadbcXXcdab2)()(,12考慮由ab, bd, ad構(gòu)成封閉空腔考慮由ab, ac, bc構(gòu)成封閉空腔得2 封閉系統(tǒng)中灰體表面間的輻射換熱封閉系統(tǒng)中灰體表面間的輻射換熱

29、Radiation exchange between diffuse, gray surfaces in an enclosure一、輻射熱阻一、輻射熱阻(Radiative resistances)表面輻射熱阻表面輻射熱阻(Surface radiative resistance)假定各灰體表面的有效輻射均勻，且是具有漫射性質(zhì)的非透明灰體，同時灰體表面間充滿了透明介質(zhì)。對于任意表面i，其單位表面積向外界發(fā)出的輻射能為Ei，吸收的輻射能為iGi(Gi為外界對表面i的投射輻射)從物體內(nèi)部看，表面i輻射出去的凈熱流量iiiiiiAGAE從物體外部看，表面i的單位表面積向外界發(fā)出的輻射能為iiiii

30、iiGEGEJ)1 (表面i輻射出去的凈熱流量為iiiiiAGAJ(a)(b)(c)聯(lián)解式(a)和(c)，消去GiiiiiiiiAJAE1由于biiiEE灰體ii所以上式可寫成iiiibiiiiiibiiiAJEAJAE/ )1 (1表面輻射熱阻表面輻射熱阻iiiiAR1說明說明黑體表面以輻射力黑體表面以輻射力Ebi作電位；灰體表面以有作電位；灰體表面以有效輻射效輻射Ji作電位，而把作電位，而把(1- i)/ iAi比作比作Ebi與與Ji之之間的表面輻射熱阻。間的表面輻射熱阻。黑體表面的表面熱阻為零，黑體表面的表面熱阻為零，JiEbi黑體的發(fā)射率為黑體的發(fā)射率為1；發(fā)射率也稱為黑度。發(fā)射率也稱

31、為黑度。 空間輻射熱阻空間輻射熱阻(Space radiative resistance) 灰體表面和表面輻射換熱計算式為灰體表面和表面輻射換熱計算式為ijjjiiijXAXAR,11jiijjiiiijjjjiiijiXAJXAJXAJXAJ,jiijijiXAJJ,1空間輻射熱阻空間輻射熱阻二、兩灰表面組成的封閉系統(tǒng)的輻射換熱二、兩灰表面組成的封閉系統(tǒng)的輻射換熱(Radiation exchange between two gray surfaces)222211111;1ARAR表面1、2熱阻為2222, 11111212, 1111AXAAEEbb空間熱阻為2, 112, 11XAR兩

32、無限大平行灰平壁兩無限大平行灰平壁(Two infinite parallel planes)A1=A2=A，且X1,2=X2,1=1111111)(21424121212, 1ATTEEAbbb同心圓筒壁同心圓筒壁(Long concentric cylinders)111)(111)(22111424122112112,1AAATTAAEEAbbb12, 112, 1222211112, 1111;11AXARARARX同心球壁同心球壁(Concentric spheres)111)(111)(22111424122112112,1AAATTAAEEAbbb12, 112, 1222211

33、112, 1111;11AXARARARX空腔與腔內(nèi)非凹物體的輻射換熱空腔與腔內(nèi)非凹物體的輻射換熱 (Small convex object in a large cavity)111)(122112112,12,1AAEEAXbb)(0,21112, 12112bbEEAAAAA三、輻射遮熱板三、輻射遮熱板(Radiation shields)輻射隔熱：輻射隔熱：減少表面間輻射換熱的有效方法是采用高反射率的表面涂層，或在表面間加遮熱板，這類措施稱為輻射隔熱。111)(11121212222 , 11111212 , 11 , 22 , 121AEEAXAAEEXXAAAbbbbb 無遮熱板時

34、2121)(111111231212 , 3 , 12222 , 333333333 , 11111212 , 3 , 12 , 33 , 12 , 3 , 13 , 22 , 31 , 33 , 1321AEEAXAAAXAAEEXXXXAAAAbbbbb 加入遮熱板后四、封閉空腔諸灰表面間的輻射換熱四、封閉空腔諸灰表面間的輻射換熱v 網(wǎng)格節(jié)點法求解網(wǎng)格節(jié)點法求解(Network representation)v 三個輻射表面換熱三個輻射表面換熱基爾霍夫電流定律：基爾霍夫電流定律：流入每個節(jié)點的電流(相當(dāng)于熱流)總和為零，以此來確定各節(jié)點Ji01113, 11132, 111211111XA

35、JJXAJJAJEb節(jié)點J101113 ,22232, 112122222XAJJXAJJAJEb節(jié)點J2節(jié)點J30111232323, 113133333XAJJXAJJAJEb聯(lián)立求解得J1、J2、J3四個輻射表面換熱四個輻射表面換熱重重(再再)輻射面輻射面(Reradiating surface)： 實質(zhì)是絕熱的發(fā)射面，或稱反射-再輻射面。例題：例題：有一半球形容器半徑有一半球形容器半徑r r=1m=1m，底部的圓形，底部的圓形面積上有溫度為面積上有溫度為200200的輻射表面的輻射表面1和溫度為和溫度為40的吸熱表面的吸熱表面2（如圖（如圖2），它們各占圓形面），它們各占圓形面積之半。

36、積之半。1、2表面均為漫射的灰表面，發(fā)射率表面均為漫射的灰表面，發(fā)射率為為1=2=0.8, 容器壁面容器壁面3為絕熱表面。試計算為絕熱表面。試計算表面表面1、2間的凈輻射換熱量和容器壁間的凈輻射換熱量和容器壁3的溫度。的溫度。 J1解解:輻射網(wǎng)絡(luò)圖輻射網(wǎng)絡(luò)圖3 氣體輻射氣體輻射(Gaseous radiation)一、一、 氣體輻射的特點氣體輻射的特點 各種氣體在氣體層厚度不大和溫度不高時的輻射和吸收能力可以略去不計； 單原子氣體和某些對稱型雙原子氣體如O2，N2，H2等，它們的輻射和吸收能力也很微弱，可認(rèn)為是透明體； 多原子氣體CO2，H2O，SO2等有顯著的輻射和吸收能力； 氣體輻射與固體

37、輻射相比，有以下特點： 固體的輻射和吸收光譜是連續(xù)的，而氣體只能輻射和吸收某一波長范圍的能量，即氣體的輻射和吸收具有選擇性。 氣體對吸收光帶內(nèi)的投射輻射可有吸收和透過，而不計反射與散熱； 對光帶以外的輻射，氣體為透明體。 固體的輻射和吸收是在很薄的表面層中進(jìn)行，而氣體的輻射和吸收是在整個容積中進(jìn)行的。所以氣體的光譜吸收率是氣體溫度T、氣體分壓p與輻射層厚度的函數(shù)：),(pTf二、氣體吸收定律二、氣體吸收定律(Gaseous absorption law)光帶中的熱射線穿過氣體層時，能量沿途不斷減弱。x=0處的光譜輻射強度為I,0經(jīng)x距離后強度減弱為I,x光譜減弱系數(shù)(Absorption co

38、efficient)dxIdIkxx,積分得keII0,氣體吸收定律氣體吸收定律(Beers Law)：射線穿過氣體層時，光譜輻射強度是按指數(shù)規(guī)律減弱的。三、氣體的發(fā)射率和吸收率三、氣體的發(fā)射率和吸收率1、氣體的光譜透射率、反射率、吸收率和發(fā)射率、氣體的光譜透射率、反射率、吸收率和發(fā)射率光譜透射率(Spectral transmissivity)光譜反射率(Spectral reflectivity)光譜吸收率(Spectral absorptivity)exp(,k0,)exp(1,k基爾霍夫定律：光譜發(fā)射率等于光譜吸收率。)exp(1,k光譜減弱系數(shù)k與氣體分壓力有關(guān)pKk式中，p氣體分壓

39、力，Pa； K1atm下光譜減弱系數(shù)，1/(mPa)說明：說明：當(dāng)氣體層厚度當(dāng)氣體層厚度 很大時，很大時， , 1，即該波長下氣體，即該波長下氣體層具有黑體性質(zhì)。而在氣體不能吸收的光帶內(nèi)，光層具有黑體性質(zhì)。而在氣體不能吸收的光帶內(nèi)，光譜減弱系數(shù)為零，所以無論厚度多大，光譜吸收率譜減弱系數(shù)為零，所以無論厚度多大，光譜吸收率為零。為零。 平均射線行程平均射線行程 上述利用計算的關(guān)系式只適用于垂直于氣體層的輻射；對于不垂直于氣體層的輻射應(yīng)用平均射線行程s替代； 若圖b中半球形氣體的成分、溫度和壓力與圖a中一般容積形狀的氣體相同，半球形氣體的輻射等于所求容積形狀的氣體對界面A的輻射，即半球形氣體對球心

40、輻射等效于所研究容積形狀的氣體對指定地區(qū)的輻射，則等效半球的半徑R即為所研究容積形狀氣體對指定地區(qū)輻射的平均射線行程長度s。平均射線行程（續(xù)）平均射線行程（續(xù)）氣體對整個包壁輻射的平均射線行程s可按下式計算。AVs6 . 3式中，V氣體體積，m3； A氣體包壁面積，m2。氣體的發(fā)射率氣體的發(fā)射率(黑度黑度)g(Gas emissivity)4000,0)1 ()1 (gbbspKbggbspKbsggTdEeEEdEedEdEE影響氣體發(fā)射率的因素：1）氣體溫度Tg；2）射線平均行程s與氣體分壓p的乘積；3）氣體分壓與氣體所處的總壓?；籼貭柣籼貭?Hottel)曲線：曲線：當(dāng)氣體中同時有CO2

41、和H2O時*2222222222COCOOHOHgCOCOCOOHOHOHCCCC2222*COOHCOOHCC查圖8-39查圖8-40查圖8-41查圖8-42查圖8-43式中氣體的吸收率氣體的吸收率g(Gas aborptivity)wgwOHwgwOHwTwgTTsPTCOCOwgTTsPTOHOHCOCOOHOHgTTTTCC65.0)/(,*45.0)/(,*2222222222氣體不能視作灰體不處于熱平衡(TwTg)gg基爾霍夫定律不適用四、氣體與包壁間的輻射換熱四、氣體與包壁間的輻射換熱 (Radiation exchange between surface and gas) 工程

42、上，包壁可視為灰體， w0.8； 包壁對氣體的角系數(shù)Xw,g=1； 氣體對包壁的角系數(shù)Xg,w=1；包壁為灰體包壁為灰體氣體發(fā)出的輻射能第一次被壁吸收：gbggwAE壁發(fā)射的輻射能第一次被氣體吸收：wbwwgAE如只考慮第一次吸收，且Aw=Ag=A，則ATTAEAEAEAEwgggwwbwwgbggwbwwgbggw44如考慮多次吸收，則用當(dāng)量壁面發(fā)射率ew修正4444212121wgggbwwgggbwwewTTqATT如包壁為黑體， w=1，則44wgggbTTq 不發(fā)光火焰：不發(fā)光火焰：無固體顆粒物，其輻射主要是燃燒產(chǎn)物中的H2O和CO2，所以其輻射可按氣體輻射計算； 半發(fā)光火焰：半發(fā)光

43、火焰：氣體輻射+灰粒輻射； 發(fā)光火焰：發(fā)光火焰：液體燃料及高揮發(fā)分固體燃料(如煙煤)的燃燒產(chǎn)生的火焰。當(dāng)火焰的射線平均行程超過3m時，發(fā)光火焰的發(fā)射率接近1，當(dāng)作黑體看待。4 火焰輻射火焰輻射(Fire radiation)5 太陽輻射太陽輻射(Solar radiation)太陽光譜輻射力的測量結(jié)果表明：它和溫度5762K的黑體輻射光譜相當(dāng)，其最大光譜輻射力的波長：最大光譜輻射力的波長：太陽常數(shù)太陽常數(shù)Sc：當(dāng)?shù)厍蛭挥诤吞柕钠骄嚯x上，在大氣層外緣并與太陽相垂直的單位表面所接受到的太陽輻射能為1353W/m2，該值稱為太陽常數(shù)。m5 . 0max 某地區(qū)在大氣層外緣水平面上每單位面積的太陽投射能量為cos03. 1_97.