由于燃油、燃煤的燃烧物 中通常含有一定浓度的CO 和水蒸气,所以本章主要介绍CO 中通常含有一定浓度的CO2和水蒸气,所以本章主要介绍CO2和水蒸 气的辐射和吸收特性。 气的辐射和吸收特性。 1气体的辐射特点 (1)气体辐射对波长有选择性 气体辐射对波长有强烈的选择性, 气体辐射对波长有强烈的选择性, 它只在某些波长区段内具有辐射和吸收能力, 它只在某些波长区段内具有辐射和吸收能力,通常把这种有辐射能 力的波段称为光带。在光带以外,气体即不吸收亦不辐射, 力的波段称为光带。在光带以外,气体即不吸收亦不辐射,对热辐 射呈透明体的性质。见图9 27。 射呈透明体的性质。见图9-27。 由于辐射对波长具有选择性的特点,气体不是灰体。 由于辐射对波长具有选择性的特点,气体不是灰体。 图9-27 CO2 和H2O的主要吸收谱带 H2O的主要吸收谱带 (2)气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的 固体和液体的辐射和吸收都具有在表面上进行的特点。 固体和液体的辐射和吸收都具有在表面上进行的特点。 而气体则表现为容积辐射和吸收①就吸收而言, 而气体则表现为容积辐射和吸收①就吸收而言,投射到气体层界面 上的辐射能要在辐射行程中被吸收减弱。 就辐射而言, 上的辐射能要在辐射行程中被吸收减弱。②就辐射而言,气体层界 面上所感受到的辐射为到达界面上的整个容积气体的辐射。 面上所感受到的辐射为到达界面上的整个容积气体的辐射。即气体 的吸收和辐射是在整个容积气体中进行的, 的吸收和辐射是在整个容积气体中进行的,与气体的容积和形状有 关。 2气体的单色吸收比及穿透比的计算——贝尔定律 气体的单色吸收比及穿透比的计算 贝尔定律 当辐射能通过吸收性气体层时,因沿途被气体吸收而削弱。 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碰到的气体分子数目。 弱的程度取决于辐射强度及途中所碰到的气体分子数目。气体分子 数目则和射线行程长度及气体的密度ρ有关[ρ=f(p,T)] [ρ=f(p,T)]。 数目则和射线行程长度及气体的密度ρ有关[ρ=f(p,T)]。 x=0时的单色辐射强度为I x=0时的单色辐射强度为Iλ,0 时的单色辐射强度为 经x后为Iλ,x 后为I 处为I x+dx 处为Iλ,x+dx 通 过 dx ( 微 元 气 体 层 ) 时 的 减 少量为dI 少量为dIλ,x辐射强度的相对减少量 dI/I正比于气体层厚度 正比于气体层厚度dx, dI/I正比于气体层厚度dx, 图9-28 光谱辐射穿 dIλ,x = kλ Lλ,X dx 过气体层时的衰减 式中: 单色减弱系数, 式中:kλ—单色减弱系数,它取决于气体的种类、密度和波长, 单色减弱系数 它取决于气体的种类、密度和波长, 当气体的温度和压力为常数时,kλ不变 不变。 当气体的温度和压力为常数时,kλ不变。对上式进行积分可得 正比于I dx的乘积 的乘积。 故dIλ,x正比于Iλ,xdx的乘积。即 s dLλ , x ∫Lλ ,0 Lλ ,x = ∫0 K λ dx Lλ ,s 即 Lλ ,s = Lλ ,0e Kλ s Beer 定律 式中, 是辐射通过的路程长度,常称之为射线程长 从上式可知, 射线程长。 式中,s 是辐射通过的路程长度,常称之为射线程长。从上式可知, 单色辐射强度在吸收性气体中传播时按指数规律衰减。 单色辐射强度在吸收性气体中传播时按指数规律衰减。 Beer公式可以写为 Beer公式可以写为 Lλ ,s = e Kλ s = τ λ Lλ , 0 单色穿透比 对于气体,反射率为零, 对于气体,反射率为零,于是有 根据Kirchhoff定律, Kirchhoff定律 根据Kirchhoff定律,单色发射率为 α(λ, s) =1τ(λ, s) =1eKλs ε(λ, s) =α(λ, s) =1eKλs 上面我们讨论了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。 体中的传递过程。在工程计算中重要的是确定气体在所有光带范围 内辐射能的总和。即气体的辐射力。按黑度的定义ε 内辐射能的总和。即气体的辐射力。按黑度的定义εg=Eg/Eb,所以 气体的黑度取决于气体的种类, 气体的黑度取决于气体的种类,对同一气体它的黑度又受哪些因素 支配呢? 支配呢? 3气体的黑度、吸收率的计算 气体的黑度、 (1)平均射线行程 由于气体容积辐射的特点, (1)平均射线行程 由于气体容积辐射的特点,辐射力与射线行 程的长度有关,而射线行程取决于气体容积的形状和尺寸。从图9 程的长度有关,而射线行程取决于气体容积的形状和尺寸。从图929可知 从不同方向辐射到A 可知, 处的射线行程是各不相同的。 29可知,从不同方向辐射到A或B处的射线行程是各不相同的。只有 如图9 30所示的半球气体容积对球心dA的辐射 所示的半球气体容积对球心dA的辐射, 如图9-30所示的半球气体容积对球心dA的辐射,各个方向上的射线 行程都是一样的,即半径R 行程都是一样的,即半径R。 对其它气体形状采用当量半球的处理办法:所谓当量半球,是指 对其它气体形状采用当量半球的处理办法:所谓当量半球, 半球内的气体具有与研究的情况相同的温度、压力和成分时, 半球内的气体具有与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, 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作为平均射线行程的。 射力。实用上正是采用这种当量半球作为平均射线行程的。 图9-29 气体对 图9-30 半球内气体对球心的辐射 不同地区的辐射 典型几何容积的气体对整个包壁或对某一研究的情况平均射线 行程见表9 当缺乏数据时采用下式计算: 行程见表9-3。当缺乏数据时采用下式计算: V s = 3 .6 A 式中,V为气体容积,m3;A为包壁面积,m2。 注意:平均射线行程不仅与气体容积的形状、大小有关, 注意:平均射线行程不仅与气体容积的形状、大小有关,还与 被辐射表面在容器壁面上的位置有关。 被辐射表面在容器壁面上的位置有关。 气体的辐射力受气体的温度、 (2)气体黑度的确定 气体的辐射力受气体的温度、成分和沿 途吸收性气体分子数目两个因素所支配。 途吸收性气体分子数目两个因素所支配。沿途气体分子数目显然与 气体分压力p和平均射线行程S的乘积pS成正比。 pS成正比 26) 气体分压力p和平均射线行程S的乘积pS成正比。则(式9-26) ε g = f (Tg , ps ) 利用上面的关系,可以采用试验获得 利用上面的关系, 31给出了 ε g ,图9-31给出了 pH2O = 0时的水蒸气发射率 ε * 的图线。 32则是其修正 的图线。图9-32则是其修正 H 2O 于是, 系数 CH2O,于是,水蒸气的发射率为 ε H 2O = C * H 2O H 2O ε 对应于 CO2 的图分别是9-33和图9-34。于是 的图分别是9 33和图9 34。 和图 ε CO2 = CCO2 ε * CO2 * ε H 2 O = (T g , p H 2 O s ) 图9-31 图9-32 修正系数 C H 2O * ε CO2 = (Tg , pCO2 s ) 图9-33 图9-34 修正系数 C CO 2 当气体中同时存在二氧化碳和水蒸气时, 当气体中同时存在二氧化碳和水蒸气时,气体的发射率 由下式给出: 由下式给出 * * ε g = C H 2Oε H 2O + CCO2 ε CO2 ε 式中,ε 是修正量,由图9-35给出。它是由于水蒸 式中, 是修正量,由图9 35给出。 给出 气和CO2光带部分重叠而引入的修正量。 光带部分重叠而引入的修正量。 气和 图9-35 修正量 ε 由于气体辐射有选择性, (3)气体吸收率的确定 由于气体辐射有选择性,不能把它作 为灰体,而且气体与外壳有换热的情况下,也不处于热平衡, 为灰体,而且气体与外壳有换热的情况下,也不处于热平衡,所以 气体的吸收率α 不等于黑度ε 水蒸气与CO 气体的吸收率αg不等于黑度εg。水蒸气与CO2共存的混合气体对黑 体外壳辐射的吸收率可表示为: 体外壳辐射的吸收率可表示为: * * α g = C H 2Oα H 2O + CCO2 α CO2 α 与发射率公式中的处理方法相同, 式中修正系数 C H O 和 CCO2 与发射率公式中的处理方法相同, 2 而 α* , α * 和 α 的确定可以采用下面的经验公式 H 2O CO2 0.65 Tg * * α CO2 = ε CO2 T , p s (T T ) T w CO2 w g w 0.45 Tg * * α H 2O = ε H 2O T , p s ( T T ) T w H 2O w g w [ ] [ ] α = [ε ]Tw 4气体与黑体外壳间辐射换热量的计算 在气体发射率和吸收比确定后, 在气体发射率和吸收比确定后,气体与黑体外壳之间的辐射换热计 算十分简单,只要把气体的本身辐射减去气体的吸收辐射即可。 算十分简单,只要把气体的本身辐射减去气体的吸收辐射即可。即 q = ε g Ebg α g Ebw Tw 4 = 5.67[ε g ( ) αg ( ) ] 100 100 4 Tg 气体与灰体外壳之间,以及灰体间存在吸收性介质时的辐射换热计 气体与灰体外壳之间, 算问题,可参考陈钟颀的传热学专题讲座。 算问题,可参考陈钟颀的传热学专题讲座。 8-5太阳能利用中的传热问题 随着太阳能利用越来越普遍(太阳能热水器、电池等), ),为了 随着太阳能利用越来越普遍(太阳能热水器、电池等),为了 更好的利用太阳能,提高经济性,认识太阳辐射的特点很有必要。 更好的利用太阳能,提高经济性,认识太阳辐射的特点很有必要。 1太阳辐射的光谱分析(图8-23) 太阳辐射的光谱分析( 23) 近似于T=5762K的黑体辐射,99%的能量集中于λ=0.2~3μm的波段 近似于T=5762K的黑体辐射,99%的能量集中于λ=0.2~3μm的波段 T=5762K的黑体辐射 λ=0.2~3μm λm=0.48μm,与工业炉窑T=2000K的能量分布有很大的区别。 T=2000K的能量分布有很大的区别 内。λm=0.48μm,与工业炉窑T=2000K的能量分布有很大的区别。 2投射到地面上的太阳辐射有多少 (1)投射到大气层外缘的辐射能有多少 日地间的距离在一年 中是有变化的,在日地平均距离处, 中是有变化的,在日地平均距离处,大气层外缘与太阳射线相垂直 的单位表面积所接受到的太阳辐射能为1367w/m2 1367w/m2, 的单位表面积所接受到的太阳辐射能为1367w/m2,此值称为太阳常 Sc,它与地球位置或一天的时间无关。 数Sc,它与地球位置或一天的时间无关。 大气层外缘水平面上每单位面积所接受到的太阳辐射能为(式8-26) 大气层外缘水平面上每单位面积所接受到的太阳辐射能为( 26) Gso = Sc f cosθ 式中: 地日距离修正系数, 式中:f—地日距离修正系数,f=0.99-1.03 地日距离修正系数 f=0 99太阳射线与地面法线间的夹角, θ—太阳射线与地面法线间的夹角,称为天顶角。 太阳射线与地面法线间的夹角 称为天顶角。 (2)投射到地面上的辐射能有多少 太阳辐射在穿过大气层到 达地面的行程中还要受到减弱。 达地面的行程中还要受到减弱。大气层中的云层和较大的尘粒把太 阳辐射部分地反射回宇宙空间是一种减弱作用,而大气中的O3 N2、 O3、 阳辐射部分地反射回宇宙空间是一种减弱作用,而大气中的O3、N2、 O2、H2O及尘埃等对太阳辐射的散射和吸收是另一种减弱作用 及尘埃等对太阳辐射的散射和吸收是另一种减弱作用( O2、H2O及尘埃等对太阳辐射的散射和吸收是另一种减弱作用(图 23所示)。由于散射作用 所示)。