气体的热辐射

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？气体的热辐射的特点具有选择性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，如惰性气体、H2、N2、O2、空气等：无反射和吸收的能力——可以看作透明体。*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和吸收能力——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）•O3可以全部吸收波长小于0.3m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2.5m处，各有三条光带，其中有两条互相重叠光带/μmCO2H2O第一光带2.65～2.802.55～2.84第二光带4.15～4.455.6～7.6第三光带13.0～17.012.0～30.0二氧化碳和水蒸气的辐射光带波长范围一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，肉眼也无法看到这些气体2.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收减弱，减弱的程度取决于辐射强度及途中所遇到的分子数目（与射线行程长度及气体密度有关）温室效应•地球大气中起温室作用的气体二氧化碳、甲烷、水蒸气、臭氧、NOX、氟利昂等三气体辐射规律气体的辐射和吸收是气层厚度L、气体的温度T和分压p（密度）的函数αλ=f（T，pL）设热射线穿过厚度为L的吸收性气体，其能量沿途被气体分子吸收。随着距离x的增大，射线的强度不断削弱。设在x=0处，单色辐射强度为Iλ,0，在x处为Iλ,x。在x处取一厚度为dx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Iλ,x–dIλ,x。减少量dIλ,x∝Iλ,xdx，于是dIλ,x=-kλIλ,xdx三气体辐射规律贝尔定律：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。LIIxxdxkIdIL0,,,0,LkIIL0,,ln0,,,IILLLkLe,LkLLe11,,当L—>∞时，，这意味着当气体层非常厚时具有黑体的性质。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4ggTAQ•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/EEgg四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。四平均射线行程长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：AVL5.3V——气体的体积；A——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壁面上的位置有关。（书上296页表7－3）（气体对整个包面）五CO2和H2O气的黑度从大量实验研究表明，CO2的辐射能力∝气体温度Tg3.5；水蒸气H2O的辐射能力∝气体温度Tg3。为了计算方便，使气体和固体一样都能应用Stefan-Boltzmann定律，即辐射能力∝Tg4，将与四次方有偏差的部分包括在气体的黑度εg中。实际固体的黑度与实际气体的黑度的不同？五CO2和H2O气的黑度五CO2和H2O气的黑度0222COCOCOC五CO2和H2O气的黑度五CO2和H2O气的黑度当p≠1atm，pH2O≠0时的水蒸汽辐射的修正系数0222OHOHOHC五CO2和H2O气的黑度CO2与水蒸气光谱重叠校正因数CO2CO2/(CO2+H2O)H2OΔεg-烟气中光谱重叠的校正量，Δεg≈2-5%；烟气中如存在SO2，通常可计算在CO2组分中。为什么总的PL值越大，修正因子越高？六CO2和H2O气的吸收率1.CO2和H2O气的吸收率不仅与气体温度Tg、分压及气体厚度有关，还与投入气体的辐射光谱有关。因为CO2和H2O气对投入辐射的波长有选择性地吸收，所以不能把气体当作灰体和漫射体2.气体的吸收率αg不等于同等温度下的黑度εg3.在加热炉中，投入辐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TW，所以CO2和H2O气的吸收率也与TW有关。六CO2和H2O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65.0*CO222CWgCOCOTT45.0*0H222CWgOHOHTT*2CO*2OH——用TW代替Tg，用代替，查图得到。gWCOTTLp2LpCO2——用TW代替Tg，用代替，查图得到。gWOHTTLp2LpOH2气体中同时含有两种气体时，吸收率为gOHCOg122注意：只有包壳近似看作黑体时，才能应用这些公式[例：]在直径为1m，长2m的圆形烟道中，有温度为1027℃的烟气通过。若烟气总压力为105Pa，其中二氧化碳占10%，水蒸气占8%，其余为不辐射气体，试计算：（1）烟气对整个包壁的平均发射率；（2）若烟道壁温tW=527℃，其它条件不变，试确定烟气对外壳辐射的吸收率。解：（1）辐射率由表7—3查得烟气的平均辐射长度L=0.73D=0.73×1=0.73(m)pCO2L=0.1×105×0.73=7.3×103(Pam)=0.072(atm.m)pH2OL=0.08×105×0.73=5.84×103(Pam)=0.058(atm.m)烟气温度:Tg=1027+273=1300(K)查图得：εCO2=0.09εH2O=0.068atmPappOH53.0)(104.51008.012121452556.008.01.01.0222222OHCOCOpppOHCOCO（pCO2+pH2O）L=（0.1+0.08）×105×0.73=0.131×105(Pam)查图得：CCO2=1.0CH2O=1.05Δεg=0.02gOHOHCOCOgCC1002222=(1×0.09+1.05×0.068)×(1–0.02)=0.158（2）吸收率TW=527+273=800(K)).(044.0).(10045.0130080010073.0552matmmPaTTLpgWCO).(036.0).(10036.01300800100584.0552matmmPaTTLpgWOH查图得：εCO2*=0.088εH2O*=0.085121.08001300088.065.065.022WgCOCOTT106.08001300085.045.045.022WgOHOHTTαg=(0.121×1+0.106×1.05)×(1–0.02)=0.228