A study of the emittance behaviour of a CO₂-H₂O mixture for different spectral bands, pressures, temperatures and molar fractions

Abstract

Visando ampliar o conhecimento sobre o comportamento dos gases participantes na radiação térmica, este estudo tem como objetivo gerar e analisar a emitância de uma mistura de CO₂ e H₂O para cinco diferentes bandas do espectro eletromagnético (variando de 0 a 1.000 cm⁻¹, 1.000 a 2.600 cm⁻¹, 2.600 a 4.400 cm⁻¹, 4.400 a 6.000 cm⁻¹, 6.000 a 25.000 cm⁻¹), comprimentos de caminho (0,001 a 30 m), pressões (1, 2, 5, 10, 20 e 40 atm), temperaturas (300 K a 2500 K, em incrementos de 100 K) e diferentes frações molares (0,1 e 0,2 para CO₂ e 0,0125; 0,05; 0,1; 0,15; 0,2; 0,3 e 0,5 para H₂O). Para gerar essas emitâncias, o perfil de Lorentz é utilizado para calcular o coeficiente de absorção transversal de cada um dos gases participantes para os estudos de caso dados, utilizando o HITEMP-2010 como base de dados para os cálculos. Então, a partir desses coeficientes gerados, é possível calcular as emitâncias para estes casos. Os resultados mostram que aumentar o comprimento do caminho, a pressão e a fração molar também aumenta a emitância. Além disso, as bandas espectrais mais significativas analisadas são a banda 1 (ligeiramente superior) e depois a banda 2 e, à medida que avançamos no espectro eletromagnético, os valores de emitância diminuem. Finalmente, o comportamento da emitância varia de caso para caso quando se estuda o impacto da temperatura.

Aiming to expand knowledge about the behavior of gases participating in thermal radiation, this study has the goal of generate and analyze the emittance of a mixture of CO₂ and H₂O for five different bands of the electromagnetic spectrum (ranging from 0 to 1,000 cm⁻¹, 1,000 to 2,600 cm⁻¹, 2,600 to 4,400 cm⁻¹, 4,400 to 6,000 cm⁻¹, 6,000 to 25,000 cm⁻¹), path lengths (0.001 to 30 m), pressures (1, 2, 5, 10, 20 and 40 atm), temperatures (300 K to 2500 K, in increments of 100 K), and different molar fractions (0.1 and 0.2 for CO₂ and 0.0125; 0.05; 0.1; 0.15; 0.2; 0.3 and 0.5 for H₂O). To generate these emittances, the Lorentz profile is used to calculate the transverse absorption coefficient of each of the participating gases for the given case studies, using HITEMP-2010 as the database for the calculations. Then, using these generated coefficients, it is possible to calculate the emittances for these cases. The results show that increasing the path length, pressure and molar fraction increases the emittance as well. Furthermore, the most significant spectral bands analyzed are bands 1 (slightly superior) and then band 2, and as we advance into the electromagnetic spectrum, the emittance values decrease. Finally, the emittance behavior varies from case to case when studying the impact of the temperature.