1、第五節(jié) 氣體輻射,在工業(yè)上常見的溫度范圍內(nèi)，空氣、氫氣、氧氣、氮?dú)獾确肿咏Y(jié)構(gòu)對稱的雙原子氣體，實(shí)際上既不發(fā)射輻射能也不吸收輻射能，可認(rèn)為是熱輻射的透明體。 但是，二氧化碳、二氧化硫、水蒸氣、甲烷、氯氟烴和含氫氯氟烴（兩者俗稱氟利昂）等三原子氣體、多原子氣體以及結(jié)構(gòu)不對稱的雙原子氣體（一氧化碳）卻有相當(dāng)大的輻射本領(lǐng)。 當(dāng)這類氣體出現(xiàn)在換熱場合中時，就要涉及到氣體和固體間的輻射換熱計(jì)算。由于燃油、燃煤的燃燒產(chǎn)物中通常包含有一定濃度的二氧化碳和水蒸氣，所以這兩種氣體的輻射在工程計(jì)算上是特別重要的。 本節(jié)著重介紹二氧化碳和水蒸氣的輻射吸收特性。,氣體輻射的特點(diǎn),選擇性：氣體輻射對波長有選擇性，它只在某

2、些波段范圍內(nèi)具有輻射能力，相應(yīng)地也只在同樣的波段內(nèi)才具有吸收能力。通常把這種有輻射能力的波長區(qū)域稱為光帶。在光帶以外，氣體既不輻射也不吸收，對熱輻射呈現(xiàn)透明體的性質(zhì)。 整體性：氣體的輻射和吸收是在整個容器中進(jìn)行的，就吸收而言，投射到氣體層界面上的輻射能要在輻射進(jìn)程中被吸收減弱。就輻射而言，氣體層界面上所感受到的輻射是到達(dá)界面上的整個容積氣體的輻射。,二氧化碳和水蒸氣的主要光帶,二氧化碳的主要光帶有三段 水蒸氣的主要光帶也有三段,光帶的特點(diǎn),這些光帶均位于紅外線的波長范圍； 二氧化碳和水蒸氣的光帶有兩處是重疊的。 由于氣體輻射對波長有選擇性，所以氣體不能被認(rèn)為是灰體。,氣體的吸收,氣體的吸收是在

3、整個容積中進(jìn)行的，因此一定和氣體的形狀和容積的大小有關(guān)。 當(dāng)輻射能通過吸收性氣體層時，因沿途被氣體吸收而削弱。削弱的程度取決于輻射強(qiáng)度及途中所遇到的氣體分子數(shù)目。 而氣體分子數(shù)目一定和射線的行程及氣體的密度有關(guān)。 演示：氣體的吸收過程,氣體吸收特性的計(jì)算,考察當(dāng)一束波長為的輻射能投射到氣體層界面上時被吸收的情況。 通過微元?dú)怏w層dx后光譜輻射強(qiáng)度減少了 分析表明，輻射強(qiáng)度的相對 減少量 正比于氣體層的 厚度dx，即,上式中的 稱為光譜減弱系數(shù)，它取決于氣體的種類、密度和波長。當(dāng)氣體溫度和壓力為常數(shù)時，其也為常數(shù)，此時對上面的式子積分可得到 上式即被稱為貝爾定律。表明光譜輻射強(qiáng)度在吸收性氣體中傳

4、播時按指數(shù)規(guī)律衰減。,氣體光譜吸收比的計(jì)算,觀察 對于氣體，其反射率為零，所以有 從上面的式子可以看出，氣體層的厚度越后，透過的輻射能越少，或者說氣體吸收的輻射能越多，其吸收比越趨近于1。但是工程中所遇到的氣體輻射一般而言達(dá)不到這種程度。,氣體光譜發(fā)射率的計(jì)算,將基爾霍夫定律應(yīng)用于光譜輻射 ，可以得到氣體的光譜發(fā)射率 上式說明，氣體在發(fā)射輻射能時，也與波長和方向有關(guān)。 上面討論的就是某個特定波長的輻射能在某個特定方向上在氣體中的傳遞過程。,氣體輻射力的計(jì)算,氣體輻射力的定義：單位時間、單位面積氣體在所有光帶范圍內(nèi)輻射能的總和稱為氣體的輻射力。用符號 表示 ，其大小可由實(shí)驗(yàn)測定。 按照發(fā)射率的定

5、義，氣體的發(fā)射率就等于氣體的輻射力與同溫度下黑體的輻射力之比，即 所以，氣體的輻射力可由下面的公式計(jì)算,氣體的發(fā)射率,氣體的發(fā)射率取決于氣體氣體的種類，不同氣體有不同的發(fā)射率。 對同一種氣體的發(fā)射率，其大小與氣體的狀態(tài)、氣體容積的形狀等有關(guān)。 這主要是由于氣體輻射具有整體性。所以輻射力與射線行程的長度（簡稱射線程長）有關(guān)，而射線程長取決于氣體容積的形狀和大小。,輻射力與射線程長有關(guān),從容器不同方向輻射到A或B處的射線程長是不同的。 對氣體形狀如采用當(dāng)量半球的處理方法，就可以以當(dāng)量半球的半徑作為平均射線程長。,當(dāng)量半球,所謂當(dāng)量半球，是指半球 內(nèi)的氣體具有與所研究的 情況相同的溫度、壓力和 成分

6、時，該半球內(nèi)氣體對 球心的輻射力，等于所研 究情況下氣體對指定地區(qū)的輻射力。 實(shí)用上正是采用這種當(dāng)量半球半徑作為指定地區(qū)的平均射線程長的方案。,平均程長的計(jì)算,幾種典型幾何容積的氣體對整個包壁或?qū)δ骋恢付ǖ貐^(qū)的平均射線程長列于表8-1中。 在缺少資料的情況下，任意幾何形狀氣體對整個包壁輻射的平均射線程長可按下式計(jì)算 使用表8-1時要注意，平均射線程長的數(shù)值取決于所討論容器的幾何形狀與大?。粚τ谕粠缀涡螤?，平均射線程長還與被輻射的表面在容器壁面上位置有關(guān)。,氣體發(fā)射率的計(jì)算,氣體對容器壁的平均輻射力或?qū)ζ鞅谏夏骋恢付ǖ攸c(diǎn)的輻射力受氣體溫度、成分和沿途吸收性氣體分子數(shù)目等因素的影響。而沿途氣體分

7、子數(shù)顯然與氣體壓力和平均射線程長的乘積有關(guān)。于是，可以寫出 其具體的關(guān)系式可由實(shí)驗(yàn)來測定，并且將實(shí)驗(yàn)結(jié)果繪制成曲線圖 可供查用。,氣體發(fā)射率計(jì)算曲線,修正系數(shù)曲線,氣體發(fā)射率計(jì)算曲線,修正系數(shù)曲線,關(guān)于線算圖的說明,這些圖都是以氣體溫度為橫坐標(biāo)，某種氣體的分壓力和平均射線程長的乘積為參考坐標(biāo)，縱坐標(biāo)即為該種氣體的分壓力為零，而氣體總壓力為 時的發(fā)射率 。而該種氣體的發(fā)射率為 當(dāng)氣體中同時存在水蒸氣和二氧化碳?xì)怏w時，則氣體的發(fā)射率為,的線算圖,氣體吸收比的計(jì)算,因?yàn)闅怏w不是灰體，而且其溫度與外殼溫度也不一定相等，所以氣體的吸收比不等于發(fā)射率，即不滿足基爾霍夫定律。 水蒸氣和二氧化碳共存的混合氣體

8、對黑體外殼輻射的吸收比可按下面的公式計(jì)算,氣體與黑體外殼之間輻射換熱的計(jì)算,氣體與黑體外殼之間輻射換熱量的計(jì)算公式為 如果外殼不是黑體而是灰體，則此時的計(jì)算就要復(fù)雜得多，這里不再敘述。,本章主要內(nèi)容,角系數(shù)的概念、性質(zhì)和計(jì)算； 有效輻射、投入輻射、表面凈輻射、表面間的輻射換熱、表面輻射熱阻、空間輻射熱阻等概念； 兩個黑表面間輻射換熱的計(jì)算； 兩個灰表面間的輻射換熱計(jì)算； 輻射網(wǎng)絡(luò)圖； 多個灰表面間輻射換熱的計(jì)算； 氣體輻射的特點(diǎn)。,基本要求,會利用角系數(shù)的線算圖查取特殊表面間的角系數(shù)值； 會應(yīng)用角系數(shù)的性質(zhì)計(jì)算角系數(shù)； 會正確畫出多表面間輻射換熱的網(wǎng)絡(luò)圖； 會計(jì)算多表面間的輻射換熱量； 掌握強(qiáng)化和削弱輻射換熱的方法和原則； 了解氣體輻射的特點(diǎn)； 了解氣體發(fā)射率和吸收率的計(jì)算方法； 了解氣體與黑體外殼間輻射換熱的計(jì)算方法。,課堂練習(xí)題,