第八章 第五节传热学讲稿ppt课件

辐射的吸收比可按下面的公式计算
* H2O
* H2O
Tw , pH2O s Tw
/ Tg

Tg Tw
0.45
g CH2O
C *
H2O
CO2
* CO2

* CO 2
* CO 2
Tw ,
pCO2 s Tw
/ Tg
气体的发射率
气体的发射率取决于气体气体的种类，不同气 体有不同的发射率。
对同一种气体的发射率，其大小与气体的状态、 气体容积的形状等有关。
这主要是由于气体辐射具有整体性。所以辐射 力与射线行程的长度（简称射线程长）有关， 而射线程长取决于气体容积的形状和大小。
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辐射力与射线程长有关
从容器不同方向辐射到A或B 处的射线程长是不同的。
气体辐射力的定义：单位时间、单位面积气体 在所有光带范围内辐射能的总和称为气体的辐 射力。用符号 Eg表示 ，其大小可由实验测定。
按照发射率的定义，气体的发射率就等于气体 的辐射力与同温度下黑体的辐射力之比，即
g

Eg Eb
所以，气体的辐射力可由下面的公式计算
Eg g Eb
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解：
6112.2 2312.7

1 1 1
0.5 A

2312.7 1
B
1097.5 1 1 0.8
6112.2 4423.5 4423.5 1097.5

1 1 1
0.5 B
1 1 1
A 0.8

A B

0.2 0.6
1
第五节 气体辐射
在工业上常见的温度范围内，空气、氢气、氧气、氮气 等分子结构对称的双原子气体，实际上既不发射辐射能 也不吸收辐射能，可认为是热辐射的透明体。
但是，二氧化碳、二氧化硫、水蒸气、甲烷、氯氟烃和 含氢氯氟烃（两者俗称氟利昂）等三原子气体、多原子 气体以及结构不对称的双原子气体（一氧化碳）却有相 当大的辐射本领。
当这类气体出现在换热场合中时，就要涉及到气体和固 体间的辐射换热计算。由于燃油、燃煤的燃烧产物中通 常包含有一定浓度的二氧化碳和水蒸气，所以这两种气 体的辐射在工程计算上是特别重要的。
本节着重介绍二氧化碳和水蒸气的辐射吸收特性。
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气体辐射的特点
选择性：气体辐射对波长有选择性，它只在某 些波段范围内具有辐射能力，相应地也只在同 样的波段内才具有吸收能力。通常把这种有辐 射能力的波长区域称为光带。在光带以外，气 体既不辐射也不吸收，对热辐射呈现透明体的 性质。
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气体发射率的计算
气体对容器壁的平均辐射力或对器壁上某一指 定地点的辐射力受气体温度、成分和沿途吸收 性气体分子数目等因素的影响。而沿途气体分 子数显然与气体压力和平均射线程长的乘积有 关。于是，可以写出
g f Tg , ps
其具体的关系式可由实验来测定，并且将实验 结果绘制成曲线图 可供查用。
会应用角系数的性质计算角系数； 会正确画出多表面间辐射换热的网络图； 会计算多表面间的辐射换热量； 掌握强化和削弱辐射换热的方法和原则； 了解气体辐射的特点； 了解气体发射率和吸收率的计算方法； 了解气体与黑体外壳间辐射换热的计算方法。
课堂练习题
在两个平行放置的相距很 近的大平板1和2中间， 插入一块很薄且两个表面 发射率不等的第三块平板。 已知如图。当板3的A面 朝向表面1时，板3的稳 定温度为176.4°C；当 板3的B面朝向表面1时， 板3的稳定温度为 255.5°C。试确定板3表 面A、B各自的发射率。
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AB
T1 573K T2 373K 1 0.5 2 0.8
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解：

Eb1 1
1
Eb3 1 1
A

Eb3 Eb2 1 1 1
B 2

Eb1 Eb' 3
1

1

1
B
1

Eb' 3 Eb2 1 1 1
A 2

透过气体层s的辐射强度 投入的总辐射强度


，s


e
k
s
对于气体，其反射率为零，所以有
, s , s 1
, s 1 ek s
从上面的式子可以看出，气体层的厚度越后，透过的辐
射能越少，或者说气体吸收的辐射能越多，其吸收比越 趋近于1。但是工程中所遇到的气体辐射一般而言达不 到这种程度。
当气体中同时存在水蒸气和二氧化碳气体时， 则气体的发射率为
g
C * H2O H2O
C * CO2 CO2

的线算图
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气体吸收比的计算
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因为气体不是灰体，而且其温度与外壳温度也 不一定相等，所以气体的吸收比不等于发射率， 即不满足基尔霍夫定律。
水蒸气和二氧化碳共存的混合气体对黑体外壳
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气体光谱发射率的计算
将基尔霍夫定律应用于光谱辐射 ，可以得到气 体的光谱发射率
, s , s 1 eks
上式说明，气体在发射辐射能时，也与波长和 方向有关。
上面讨论的就是某个特定波长的辐射能在某个 特定方向上在气体中的传递过程。
气体辐射力的计算
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本章主要内容
角系数的概念表面间的 辐射换热、表面辐射热阻、空间辐射热阻等概 念；
两个黑表面间辐射换热的计算； 两个灰表面间的辐射换热计算； 辐射网络图； 多个灰表面间辐射换热的计算； 气体辐射的特点。
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基本要求
会利用角系数的线算图查取特殊表面间的角系 数值；
上时被吸收的情况。
通过微元气体层dx后光谱辐射强度减少了 dL,x
分析表明，辐射强度的相对
减少量dL/ L 正比于气体层的
厚度dx，即
dL , x L , x
kdx
上式中的 k 称为光谱减弱系数，它取决于气体 的种类、密度和波长。当气体温度和压力为常 数时，其也为常数，此时对上面的式子积分可 得到
平均程长的计算
几种典型几何容积的气体对整个包壁或对某一 指定地区的平均射线程长列于表8-1中。
在缺少资料的情况下，任意几何形状气体对整 个包壁辐射的平均射线程长可按下式计算
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s

3.6 V A

3.6

气体容积 包壁面积
使用表8-1时要注意，平均射线程长的数值取 决于所讨论容器的几何形状与大小；对于同一 几何形状，平均射线程长还与被辐射的表面在 容器壁面上位置有关。
气体发射率计算曲线
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修正系数曲线
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气体发射率计算曲线
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修正系数曲线
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关于线算图的说明
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这些图都是以气体温度为横坐标，某种气体的 分压力和平均射线程长的乘积为参考坐标，纵 坐标即为该种气体的分压力为零，而气体总压 力为 p 105Pa 时的发射率 * 。而该种气体的发 射率为 C *
气体的吸收
气体的吸收是在整个容积中进行的，因此一定 和气体的形状和容积的大小有关。
当辐射能通过吸收性气体层时，因沿途被气体 吸收而削弱。削弱的程度取决于辐射强度及途 中所遇到的气体分子数目。
而气体分子数目一定和射线的行程及气体的密 度有关。
演示：气体的吸收过程
气体吸收特性的计算
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考察当一束波长为的辐射能投射到气体层界面
整体性：气体的辐射和吸收是在整个容器中进 行的，就吸收而言，投射到气体层界面上的辐 射能要在辐射进程中被吸收减弱。就辐射而言， 气体层界面上所感受到的辐射是到达界面上的 整个容积气体的辐射。
二氧化碳和水蒸气的主要光带
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二氧化碳的主要光带有三段
2.65 2.80μm 4.15 4.45μm

Tg Tw
0.65
Tw
气体与黑体外壳之间辐射换热的计算
气体与黑体外壳之间辐射换热量的计算公式为
q

g Eb,g
g Eb,w


5.67

g

Tg 100
4


g

Tw 100
4

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如果外壳不是黑体而是灰体，则此时的计算就 要复杂得多，这里不再叙述。
13.0 17.0μm
2.55 2.84μm
水蒸气的主要光带也有三段 5.6 7.6μm
12.0 30.0μm
光带的特点
这些光带均位于红外线的波长范围； 二氧化碳和水蒸气的光带有两处是重叠的。 由于气体辐射对波长有选择性，所以气体不能
被认为是灰体。
4
5
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dL L,s
,x
L L ,0 , x

s
0 kdx
ln
L , s L ,0
ks
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L,s eks L ,0
L,s

L ek s ,0
上式即被称为贝尔定律。表明光谱辐射强度在
吸收性气体中传播时按指数规律衰减。
气体光谱吸收比的计算
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观察
L , s L ,0
对气体形状如采用当量半球的 处理方法，就可以以当量半球 的半径作为平均射线程长。
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当量半球
所谓当量半球，是指半球 内的气体具有与所研究的 情况相同的温度、压力和 成分时，该半球内气体对 球心的辐射力，等于所研 究情况下气体对指定地区的辐射力。
实用上正是采用这种当量半球半径作为指定地区 的平均射线程长的方案。