第八章 第五节传热学讲稿讲课稿
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• 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
• 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
• 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
• 考察当一束波长为的辐射能投射到气体层界
面上时被吸收的情况。
• 通过微元气体层dx后光谱辐射强度减少了dL,x
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。
• 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
•
二氧化碳的主要光带有三段
2.65 2.80μm 4.15 4.45μm
13.0 17.0μm
g
Eg Eb
• 所以，气体的辐射力可由下面的公式计算
Eg g Eb
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。
• 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
dL L,s
,x
L L ,0 , x
s
0 kdx
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Biblioteka Baidu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。
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。
• 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。
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
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。
• 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。
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。
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。
• 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。
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。
g
C * H2O H2O
C * CO2 CO2
的线算图
气体吸收比的计算
• 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。
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。
气体发射率计算曲线
修正系数曲线
气体发射率计算曲线
修正系数曲线
关于线算图的说明
• 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 *
• 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
ln
L , s L ,0
ks
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
• 观察
L , s L ,0
透过气体层s的辐射强度 投入的总辐射强度
，s
ek
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。
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
• 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
• 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
• 考察当一束波长为的辐射能投射到气体层界
面上时被吸收的情况。
• 通过微元气体层dx后光谱辐射强度减少了dL,x
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。
• 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
•
二氧化碳的主要光带有三段
2.65 2.80μm 4.15 4.45μm
13.0 17.0μm
g
Eg Eb
• 所以，气体的辐射力可由下面的公式计算
Eg g Eb
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。
• 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
dL L,s
,x
L L ,0 , x
s
0 kdx
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Biblioteka Baidu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。
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。
• 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。
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
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。
• 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。
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。
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。
• 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。
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。
g
C * H2O H2O
C * CO2 CO2
的线算图
气体吸收比的计算
• 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。
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。
气体发射率计算曲线
修正系数曲线
气体发射率计算曲线
修正系数曲线
关于线算图的说明
• 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 *
• 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
ln
L , s L ,0
ks
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
• 观察
L , s L ,0
透过气体层s的辐射强度 投入的总辐射强度
，s
ek
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。
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