冶金炉热工基础--3.3.4 气体与固体间的辐射热交换.ppt

3.3.4 气体与固体间的辐射热交换 在冶金炉内，燃料燃烧后，热量是通过炉气传给被加热物料的。因此，炉内实际进行着的是气体与固体表面间的辐射热交换，而炉气（火焰）的辐射是起着关键作用的。 1.气体的辐射和吸收 气体的辐射和吸收与固体比较起来有很多特点，主要有以下三点： 1)不同的气体，其辐射和吸收辐射能的能力不同。 气体的辐射是由原子中自由电子的振动引起的。 单原子气体和双原子气体（如N2、O2、H2）没有自由电子，因此它们的辐射能力都微不足道，实际上是透热体。 多原子气体，尤其是燃烧产物中的三原子气体，如H2O、CO2和SO2，却具有相当大的辐射能力和吸收能力。 2)气体的辐射和吸收，对波长具有选择性。 固体的辐射光谱是连续的，即它能辐射和吸收λ=0~∞所有波长的辐射能。 CO2和水蒸气的辐射和吸收光带 光 带 气 体 种 类 H2O CO2 波长λ1~λ1(μm) Δμ 波长λ1~λ1(μm) Δμ 第一光带 2.24~3.27 1.03 2.36~3.02 0.66 第二光带 4.8~8.5 3.7 4.01~4.8 0.79 第三光带 12~25 13 12.5~16.5 4.0 3)在气体中，能量的吸收和辐射是在整个体积内进行。 固体的辐射和吸收都是在表面进行的，气体则在整个体积内进行。 当热射线穿过气体时，其能量因沿途被气体所吸收而减少。这种减少的程度取决于沿途所遇到的分子数目。碰到的气体分子数目越多，被吸收的辐射能量也越多。而射线沿途所遇到的分子数目与射线穿过时所经过的路程长短以及气体的压力有关。 射线穿过气体的路程称为射线行程或辐射层厚度，用符号X表示。 气体的单色吸收率是气体温度、气体层厚度及气体分压力的函数，即： Aλ =f ( T，p，X) 2.气体吸收定律 图 3-24 热射线穿过气体层时的减弱 当光带中的热射线穿过吸收性气体层时，沿途将被气体分子所吸收，如图3-24所示。 随着距离x的增加，射线能量不断减弱，当X→∞时，热射线将全部被吸收。设X＝0处单色辐射强度为Eλx=0。若在距壁面为X处经过dx厚度的气体层，辐射能力由Eλ减弱到Eλ—dB，即减弱了dEλ，则： 式中： Kλ——减弱系数，1/m。表示单位距离内辐射能力减弱的百分数。它与气体的性质、压力、温度以及射线的波长λ有关。 式中负号表明单色辐射能力Eλ随气体层厚度x的增加而减弱。 变换上式得： 上式即为气体吸收定律的表达式，也称比尔定律。 该定律表明：波长为λ的单色辐射能力在穿过气体层时是按指数规律减弱的。 按照吸收率的定义，气体的单色吸收率Aλ应为气体吸收的单色辐射能量与投射到该气体的单色辐射能量的比值，即 当气体和壁面温度相同时，则： 由于Kλ与气体的分子数有关，故将上式改写为： 式中: P——气体的分压，at； Kλ——在1大气压下单色辐射线减弱系数，1/m·at， 它与气体的性质和温度有关。 在整个气体容积中，气体的辐射和吸收是沿着各个方向同时进行的。 因此，对整个容积内气体热辐射和吸收的行程长度，应该是各个方向行程长度的平均值。设平均行程长度为s，于是： 由上式可知，对于光带中某一单色辐射而言，当s→∞时， ελ＝Ａλ＝1，即当气体层无限厚时，光带内的辐射线可被气体全部吸收。 4、气体的辐射能力 A、CO2和H2O的辐射能力 实验结果表明，二氧化碳的辐射能力，与绝对温度的3.5次幂成正比，水蒸汽的辐射能力，与绝对温度的3次幂成正比，即 为了计算方便，将上面两个式子改写成绝对温度的四次幂的形式，即 在燃烧过程产生的烟气中，主要的吸收性气体是二氧化碳和水蒸汽，而其他多原子气体的含量极少，可不予考虑。 烟气的黑度可按下式计算： 式中Δε是对CO2和H2O的吸收光带有一部分是重复的而进行的修正，即当这两种气体并存时，二氧化碳所辐射的能量有一部分被水蒸汽所吸收，而水蒸汽辐射的能量也有一部分被二氧化碳所吸收，这就使得烟气的总辐射能量比单一种气体分别辐射的能量总和少些，因此，上式中要减去Δε，但因Δε的值通常是较小的，可忽略不计。这时： B、平均行程s的计算方法 在计算气体的黑度时，总要涉及到气体容积的辐射线平均行程s（或称辐射层有效厚度）。 (1)对各种不同形状的气体容积，其射线平均行程可查表3—20; (2)用下式计算： 式中: V——气体所占容积，m3； F——包围气体的固体壁面面积，m2。 (3)对于长形的容器（如连续加热炉炉膛），射线平均行程S近似地等于其横截面的当量直径，即: C、炉气的黑度