传热学讲稿.ppt

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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。,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

2、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。 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 水蒸气的主要光带也有三段,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。,气体的吸收,气体的吸收是在

3、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,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 分析表明，辐射强度的相对 减少量 正比于气体层的 厚度dx，即,上式中的 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 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

4、播时按指数规律衰减。,气体光谱吸收比的计算,观察 对于气体，其反射率为零，所以有 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 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 表示 ，其大小可由实验测定。 按照发射率的定

5、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 所以，气体的辐射力可由下面的公式计算,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。,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

6、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。,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 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

7、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 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 时的发射率 。而该种气体的发射率为 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,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。 水蒸气和二氧化碳共存的混合气体

8、对黑体外壳辐射的吸收比可按下面的公式计算,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 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。,本章主要内容,角系数的概念、性质和计算； 有效辐射、投入辐射、表面净辐射、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。,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； 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176.4C；当板3的B面朝向表面1时，板3的稳定温度为255.5C。试确定板3表面A、B各自的发射率。,解：,解：,