气体分 子数目与射线行程长度s及气体 密度?(T,pi)有关,则气体光谱 吸收比可表述为: ??=f(T,ps) 9.5.2 气体吸收定律 当辐射能通过吸收层时,强 度因沿途被气体吸收而削弱。如 若光谱辐射强度为I?,x,则有 dI ? , x I? ,x ? ? k ? dx k?为光谱减弱系数,取决于气体种类、密度与波长, 如若气体温度与压力一定,则k?为常数,则有 ? I ? ,s dI ? , x I? ,x I? ,0 ? ?k? ? dx ? I ? , s ? I ? , 0 exp ?? k? s ? x 0 贝尔定律 9.5.3 气体光谱吸收比与光谱辐射率 Beer公式可以写为 I ? ,s 气体: ??+??=1→ I ? ,0 ? e ?k? s ? ? ? ?T , ps? ? ? ?T , ps? ? 1 ? e ? k? s 根据Kirchhoff定律, ? ? ?T , ps? ? ? ? ?T , ps? ? 1 ? e ? k? s 9.5.4 平均射线程长s 由于气体辐射特性与射线程长s密切相关,而s取决 于气体容积的形状和尺寸,以及被辐射表面位置。 在同一容器内,除半球内气体对球心的辐射的射线 程长相同外,从不同方向辐射到同一处的射线程长各不 相同;不同处的射线程长各不相同。 气体对不同地区的辐射 半球内气体对球心的辐射 处理方式: 引入当量半球的概念,将不是球形的容积等效为半球, 则其半径就是等效的射线程长。 (1) 通过查表方式获得典型几何容积气体对整个包壁或对 包壁某一指定区域的平均射线程长,见P422 表9-3。 (2) 估算公式: V s ? 3.6 A 9.5.5 气体辐射率 工程计算中更关心的是气体的(总)吸收比与 (总)发射率。 气体发射率 ? ?g ? ? ① ② ③ Eg Eb ? ? ? 0 ? g? Eb? d? ?Tg4 ?1 ? e ?E ? ? ? ? k? s 0 b? d? ?Tg4 气体发射率影响因素 气体温度Tg; 射线平均行程s与气体分压pi乘积; 气体分压pi与总压p?。 ? CO2气体发射率经验图线 * ?Tg , pH O s ? ? CO ? CCO ? CO 2 2 2 2 总压与分压对? CO2的影响修正 CO2基准发射率?CO2*图线 ? ? H2O蒸气发射率经验图线 H2O蒸气发射率经验图线 * ? H O ? C H O? H Tg , pH O s ? O? 2 2 2 2 总压与分压对?H2O的影响修正 水蒸气基本发射率?H2O*图线 ? H2O蒸气、CO2混合气体发射率经验计算 当气体中同时存在H2O蒸气与CO2两种成分时,由 于H2O蒸气与CO2两种气体存在光带重叠区域, 故 2 CO2 和H2O的主要光带 * * ? g ? ? CO ? ? H O ? ?? ? CCO ? CO ? C H O? H O ? ?? 2 2 2 2 2 ??—光带重叠修正量 9.5.6 气体吸收比 ? 由于气体辐射具有选择性,故 不能将其看成灰体;且在与外 界有换热的情况下,不处于热 平衡状态,故?g≠?g。气体吸收 比不仅取决于气体本身的温度、 分压与射线行程,还取决于投 射辐射性质。 ? H2O蒸气与CO2共存的混合气 体对黑体外壳辐射的吸收比可 表述为 * * ? g ? CH O? H ? C ? O CO CO ? ?? 2 2 2 2 ? 相关基准参数与修正值分别表述为 ? * CO 2 ?? * CO 2 ? ?? T ? ? Tw , pCO s Tw ?? g ? 2 ? ?? T ? T g ?? w ? ? 0.65 ? ?? Tg ? T w ? ? ?? ? Tw , pH 2O s ?? ? ? ? T ? T g ?? w ? ? ? ? T w CCO 2 ? f ? pCO 2 s ? ? ? T g ? ? * H 2O * H 2O 0.65 CH 2O ? ? T w ? f ? pH 2O s ? ? ? T g ? ? ?? ? ?? ?Tw ? 9.5.7 气体与黑体包壳间的辐射换热计算 在气体辐射特性确定后,气 体与黑体包壳间的辐射传热计算可 简化为辐射换热面积相同、间距 →0的两壁面间的换热,壁面1为黑 体,壁面2辐射特性为?g、?g.黑体 与气体的单位辐射换热量q1,2: q1, 2 ? J ? G ? ? g Ebg ? ? g G g ? G g ? ? g Ebg ? ? g Gg ? ? g Eb , g ? ? g Eb , w Tw,?w=1 Tg,?g,?g 9.6 综合传热问题分析 几种热量传递机制共同作用的传递,过程成为综合传 热(combined mode of heat transfer)问题或复合传热 (multimode of heat transfer)问题。 ? 工程实际中,辐射与对流常同时存在,尤其是以空气、 烟气等气体作为对流介质的场合。常温状态下,辐射散 热量与自然对流散热量在同一数量级。 ? 在热阻分析及对传热系数k进行计算时,如某一侧同时存 在辐射与对流,则其表面传热系数h应为复合传热系数。 ? 对于导热问题的第三类边界条件及采用集总参数法研究 导热问题时,如果导热边界条件为复合换热情形,则表 面传热系数同样需采用复合表面传热系数。 ?复合表面传热系数h 在同时存在辐射换热与对流换热的场合下,认为辐射 与对流不耦合,可分别进行处理. 单相:h ? hc ? hr 模态沸腾:h 4 3 ? hc4 3 ? hr4 3 ( P323 : 7 ? 22) hr—辐射表面传热系数,在计算出辐射换热量?r后,采用 牛顿冷却公式进行折算后获得 ?r hr ? A?t w ? t f ? 典型实例:动力锅炉炉膛水冷壁换热、省煤器烟气侧换热、 遮热罩抽气式热电偶表面 本章小结 1 角系数的定义、性质、计算方法(特别是代数分析法)和适 用条件 2 能量守恒的分析方法在两固体表面间辐射换热的应用 3 系统黑度的计算公式及三种特殊情形的处理 4 热网络法的基本思路、计算过程、热网络图 5 重辐射面的性质、影响辐射换热的形式及其温度的求解方 法,以及重辐射面与黑表面的区别 6 辐射换热的强化与削弱应该考虑的因素及其作用过程,特 别是热辐射挡板 7 气体辐射的特点:光谱依赖特性和容积辐射特性 8 气体辐射的衰减规律及其计算公式、气体的吸收系数和发 射率 9 投入辐射、有效辐射、系统黑度、热势差、表面辐射热阻、 空间辐射热阻、衰减系数、射线程长 10 复合表面传热系数、复合传热问题的处理 作业 8-2,8-6,8-8,9-12,9-19,9-24,9-31,8-36, 8-42,9-44,9-54(56),8-60,9-60(62),8-64,