輻射傳熱的計算

1、第九章 輻射傳熱的計算1) 進行輻射換熱的物體表面之間是不參與進行輻射換熱的物體表面之間是不參與輻射的介質輻射的介質(如單原子或具有對稱分子結構如單原子或具有對稱分子結構的雙原子氣體、空氣或真空的雙原子氣體、空氣或真空)；2) 參與輻射換熱的物體表面都是參與輻射換熱的物體表面都是漫射漫射（漫（漫發(fā)射、漫反射）發(fā)射、漫反射）灰體或黑體灰體或黑體表面；表面；3)每個表面的溫度、輻射特性及投入輻射每個表面的溫度、輻射特性及投入輻射分布均勻。分布均勻。為了使輻射換熱的計算簡化，引入如下假設：為了使輻射換熱的計算簡化，引入如下假設：9.1 輻射傳熱的角系數(shù)輻射傳熱的角系數(shù) 物體間的輻射換熱與物體間的輻射

2、換熱與物體表面的幾何形狀、大小及相對位置物體表面的幾何形狀、大小及相對位置有有關，角系數(shù)是反映這些幾何因素對輻射換熱影響的重要參數(shù)。關，角系數(shù)是反映這些幾何因素對輻射換熱影響的重要參數(shù)。1. 1. 角系數(shù)的定義角系數(shù)的定義 兩個任意位置的表面兩個任意位置的表面1 1、2 , 2 , 從表面從表面1 1發(fā)出（自身發(fā)射與反射）發(fā)出（自身發(fā)射與反射）的總輻射能中直接投射到表面的總輻射能中直接投射到表面2 2上的輻射能占總輻射能的百分上的輻射能占總輻射能的百分數(shù)稱為數(shù)稱為表面表面1 1對表面對表面2 2的角系數(shù)，的角系數(shù)，用符號用符號 表示。表示。x1 2 ,12121,21221coscos1aax

3、dadaar ( (1) 1) 角系數(shù)的相對性角系數(shù)的相對性： 即任意兩個表面之間的角系數(shù)不是獨立的，而是受即任意兩個表面之間的角系數(shù)不是獨立的，而是受上述關系制約。上述關系制約。(2) (2) 角系數(shù)與溫度無關，它完全取決于幾何關系角系數(shù)與溫度無關，它完全取決于幾何關系。(3) (3) 角系數(shù)的完整性角系數(shù)的完整性：對于平面或凸面組成的封閉系統(tǒng)，：對于平面或凸面組成的封閉系統(tǒng)，根據(jù)能量守恒原理，從其中任何一個表面發(fā)射的輻射根據(jù)能量守恒原理，從其中任何一個表面發(fā)射的輻射能必全部落到其它表面上，因而其中任一表面對其余能必全部落到其它表面上，因而其中任一表面對其余各表面的角系數(shù)之間存在下列關系：各

4、表面的角系數(shù)之間存在下列關系：(4) 角系數(shù)的可加性角系數(shù)的可加性：1111131211 niinxxxxx角系數(shù)的三個特性：角系數(shù)的三個特性：a xa x11 222 1,xxxab1 211,利用角系數(shù)計算黑體間的輻射換熱利用角系數(shù)計算黑體間的輻射換熱 落在黑體表面上的能量被全部吸收，所落在黑體表面上的能量被全部吸收，所以任意兩個黑體表面間的換熱量為：以任意兩個黑體表面間的換熱量為：角系數(shù)角系數(shù)2122121112xaexaebb 11212 x22121 x角系數(shù)的計算方法：角系數(shù)的計算方法：(1) (1) 積分法積分法1122221112coscos1dadaraxaa (2) (2)

5、 代數(shù)法代數(shù)法根據(jù)角系數(shù)積分表達式通過積分運算求得角系數(shù)根據(jù)角系數(shù)積分表達式通過積分運算求得角系數(shù) 工程上為計算方便工程上為計算方便, 已將常見幾何已將常見幾何系統(tǒng)的角系數(shù)計算結果用公式或線算系統(tǒng)的角系數(shù)計算結果用公式或線算圖的形式給出。圖的形式給出。 黑體間的輻射換熱及角系數(shù)黑體間的輻射換熱及角系數(shù)平行的長方形表面平行的長方形表面間的角系數(shù)線算圖間的角系數(shù)線算圖 黑體間的輻射換熱及角系數(shù)黑體間的輻射換熱及角系數(shù)相互垂直的兩長方形表相互垂直的兩長方形表面間的角系數(shù)線算圖面間的角系數(shù)線算圖 黑體間的輻射換熱及角系數(shù)黑體間的輻射換熱及角系數(shù)平行的同心圓形表面平行的同心圓形表面間的角系數(shù)線算圖間的角

6、系數(shù)線算圖 角系數(shù)的計算方法角系數(shù)的計算方法2 2：代數(shù)法：代數(shù)法三個非凹表面組成的封閉輻射系統(tǒng)三個非凹表面組成的封閉輻射系統(tǒng) 1321122aaaax 利用角系數(shù)的定義及性質利用角系數(shù)的定義及性質, 通過代數(shù)運算確定角系數(shù)的方法。通過代數(shù)運算確定角系數(shù)的方法。 以三個表面的封閉系統(tǒng)為例說明如何利用代數(shù)法確定角系數(shù)。以三個表面的封閉系統(tǒng)為例說明如何利用代數(shù)法確定角系數(shù)。 根據(jù)角系數(shù)的完整性有：根據(jù)角系數(shù)的完整性有： a xa xa11 211 31,a xa xa22 122 32,a xa xa3313323,根據(jù)角系數(shù)的相對性有：根據(jù)角系數(shù)的相對性有： a xa x11 222 1,a x

7、a x11 3331,a xa x22 333 2,1321,312aaaxa2312,322aaaxa黑體間的輻射換熱及角系數(shù)例題講解：黑體間的輻射換熱及角系數(shù)例題講解：l 例例 試用代數(shù)法確定如圖所示試用代數(shù)法確定如圖所示的表面的表面a a1 1和和a a2 2之間的角系數(shù)，假之間的角系數(shù)，假定垂直于紙面方向上表面的長定垂直于紙面方向上表面的長度是無限延伸的。度是無限延伸的。 abbdacadbcxxcdab2)()(,12 答案答案例：p404 例9-1 自學9.2 兩表面封閉系統(tǒng)的輻射換熱兩表面封閉系統(tǒng)的輻射換熱 1. 兩黑體表面組成的封閉系統(tǒng)的輻射換兩黑體表面組成的封閉系統(tǒng)的輻射換熱

8、熱兩個黑體表面構成的封閉空腔兩個黑體表面構成的封閉空腔 “封閉腔模型封閉腔模型”兩個黑體表面輻射換熱量：兩個黑體表面輻射換熱量： 1 21221,2b1221b211efaexa,2b1b21121eexa,11,222,1a xa x2112b1b211,xaee空間輻射換熱熱阻空間輻射換熱熱阻 1、2兩個封閉黑體表面之間的輻射換熱可以用輻射網兩個封閉黑體表面之間的輻射換熱可以用輻射網絡圖來表示：絡圖來表示： 2112b1b211,xaee空間輻射換熱熱阻空間輻射換熱熱阻二個黑體表面構成封閉空腔的輻射換熱網絡二個黑體表面構成封閉空腔的輻射換熱網絡 2.兩灰體表面間的輻射換熱兩灰體表面間的輻射

9、換熱 單位時間內投射到單位面單位時間內投射到單位面積表面上的總輻射能被稱積表面上的總輻射能被稱為為投入輻射投入輻射，記為記為g g；單位時間內離開單位面積表單位時間內離開單位面積表面的總輻射能為該表面的面的總輻射能為該表面的有效輻射有效輻射，記為記為j j。漫射、灰體表面漫射、灰體表面(簡稱漫灰表面簡稱漫灰表面) 1）灰體表面的）灰體表面的吸收比小于吸收比小于1；2) 灰體表面向外發(fā)射的輻射能除了灰體表面向外發(fā)射的輻射能除了自身輻射自身輻射還包含還包含反射輻射反射輻射；兩灰體表面間的輻射換熱不同于黑體，比較復雜兩灰體表面間的輻射換熱不同于黑體，比較復雜：“有效輻射有效輻射”定義：定義：g)(e

10、gej1b根據(jù)有效輻射的定義有：根據(jù)有效輻射的定義有： 根據(jù)表面的輻射平衡根據(jù)表面的輻射平衡, 單位面積的單位面積的輻射換熱量應該等于有效輻射與投輻射換熱量應該等于有效輻射與投入輻射之差，即有：入輻射之差，即有：ajggeab漫灰表面漫灰表面ajejea11bb表面輻射熱阻表面輻射熱阻 兩個漫灰表面構成的封閉空腔中的輻射換熱計算：兩個漫灰表面構成的封閉空腔中的輻射換熱計算： 兩個漫灰表面構成的封閉空腔兩個漫灰表面構成的封閉空腔 兩個漫灰表面兩個漫灰表面1、2構成一個封閉腔構成一個封閉腔, 如圖所示，并假設如圖所示，并假設21tt 表面表面1凈損失的熱量為凈損失的熱量為:11111b11aje表

11、面表面2凈獲得的熱量為凈獲得的熱量為 :2222b221aej表面表面1、2之間凈輻射換熱量為之間凈輻射換熱量為:12112 1221 2,ax jax ja xjj11 212,21121211,xajj 1212 2222111112b1b12111axaaee,兩個漫灰表面構成封閉空腔的輻射網絡兩個漫灰表面構成封閉空腔的輻射網絡 12s11,2b1b2()a xee1111121 . 212, 1sxx稱為系統(tǒng)黑度系統(tǒng)黑度 三個灰體間的輻射換熱網絡三個灰體間的輻射換熱網絡0111113131121211111 axjjaxjjajeb 0111223231122122222 axjjax

12、jjajeb 0111223231131333333 axjjaxjjajeb 節(jié)點節(jié)點1 1節(jié)點節(jié)點1 1節(jié)點節(jié)點3 39.4 9.4 氣體輻射氣體輻射l氣體輻射的特點氣體輻射的特點(1) (1) 氣體的輻射和吸收能力與氣體的分子結構氣體的輻射和吸收能力與氣體的分子結構有關有關(2) (2) 氣體的輻射和吸收對波長有明顯的選擇性氣體的輻射和吸收對波長有明顯的選擇性(3) (3) 固體及液體的輻射屬于表面輻射固體及液體的輻射屬于表面輻射, ,而氣體而氣體的輻射和吸收是在整個氣體容積中進行的，屬的輻射和吸收是在整個氣體容積中進行的，屬于體積輻射。于體積輻射。(4) (4) 氣體的反射率為零氣體的

13、反射率為零 氣體輻射的特點氣體輻射的特點1 1： 在工業(yè)上常見的溫度范圍內，單原子氣體在工業(yè)上常見的溫度范圍內，單原子氣體及空氣、及空氣、h2、o2、n2等結構對稱的雙原等結構對稱的雙原子氣體，無發(fā)射和吸收輻射的能力可認為子氣體，無發(fā)射和吸收輻射的能力可認為是透明體。是透明體。co2、h2o、so2、ch4和和co等氣體都具等氣體都具有輻射的本領。有輻射的本領。例：例：煤和天然氣的燃燒產物中常有一定濃度的煤和天然氣的燃燒產物中常有一定濃度的co2和和h2o。高爐煤氣主要成分是。高爐煤氣主要成分是co、 co2和和n2。 氣體輻射的特點氣體輻射的特點2 2：l 固體和液體的輻射和吸收光譜是連續(xù)的

14、，固體和液體的輻射和吸收光譜是連續(xù)的，而氣體則是間斷的。而氣體則是間斷的。l 氣體只能輻射和吸收一定波長范圍（稱為氣體只能輻射和吸收一定波長范圍（稱為光帶）內的輻射能，在光帶以外的波長既不能光帶）內的輻射能，在光帶以外的波長既不能輻射也不能吸收。輻射也不能吸收。l 不同的氣體光帶范圍不同。不同的氣體光帶范圍不同。l 對于光帶以外的輻射射線，氣體可以看作對于光帶以外的輻射射線，氣體可以看作是透明體。是透明體。例：大氣中的臭氧層能保護人類免受紫外線的傷害大氣中的臭氧層能保護人類免受紫外線的傷害 氣體輻射的特點氣體輻射的特點3:3:l熱射線穿過氣體層時，輻射能沿途被氣體熱射線穿過氣體層時，輻射能沿途

15、被氣體分子吸收而逐漸減弱。其減弱程度取決于分子吸收而逐漸減弱。其減弱程度取決于沿途碰到的氣體分子數(shù)目，碰到的分子數(shù)沿途碰到的氣體分子數(shù)目，碰到的分子數(shù)目越多，被吸收的輻射能也越多。因此氣目越多，被吸收的輻射能也越多。因此氣體的吸收能力體的吸收能力g g與熱射線經歷的行程長與熱射線經歷的行程長度度l l，氣體分壓力，氣體分壓力p p和氣體溫度和氣體溫度t tg g等因素有等因素有關。關。氣體的發(fā)射率與吸收率氣體的發(fā)射率與吸收率 bggee 氣體發(fā)射率氣體發(fā)射率: 氣體發(fā)射率主要取決于氣體發(fā)射率主要取決于氣體的種類、氣體溫度和輻射行程氣體的種類、氣體溫度和輻射行程中的氣體分子數(shù)目中的氣體分子數(shù)目。

16、輻射行程中的氣體分子數(shù)則與氣體分壓力。輻射行程中的氣體分子數(shù)則與氣體分壓力p和射程和射程l有關，即與有關，即與pl乘積成正比乘積成正比。實際計算中，氣體的發(fā)實際計算中，氣體的發(fā)射率根據(jù)實驗圖表確定。射率根據(jù)實驗圖表確定。 氣體的吸收率氣體的吸收率:氣體的吸收率與氣體的吸收率與氣體溫度以及器壁溫度氣體溫度以及器壁溫度都有關，所以不能看做都有關，所以不能看做灰體。氣體溫度和器壁溫度相同時，氣體的吸收率與它的發(fā)射灰體。氣體溫度和器壁溫度相同時，氣體的吸收率與它的發(fā)射率相等。如果氣體溫度不等于器壁溫度，則氣體的吸收率就不率相等。如果氣體溫度不等于器壁溫度，則氣體的吸收率就不等于它的發(fā)射率。等于它的發(fā)射

17、率。9.5 輻射傳熱的控制（強化與削弱）輻射傳熱的控制（強化與削弱）在現(xiàn)代隔熱保溫技術中，遮熱板的應用在現(xiàn)代隔熱保溫技術中，遮熱板的應用比較廣泛。例如：比較廣泛。例如： 煉鋼工人的遮熱面罩、煉鋼工人的遮熱面罩、 航天器的多層真空艙壁、航天器的多層真空艙壁、 低溫技術中的多層隔熱容器低溫技術中的多層隔熱容器 測溫技術中測溫元件的輻射屏蔽等測溫技術中測溫元件的輻射屏蔽等，遮熱板的主要作用遮熱板的主要作用就是就是削弱輻射換熱削弱輻射換熱。 遮熱板的應用遮熱板的應用:遮熱板削弱輻射傳熱的原理遮熱板削弱輻射傳熱的原理以以“兩塊靠得很近的大平壁間的輻射換熱兩塊靠得很近的大平壁間的輻射換熱”為例來說明為例來說明當沒有遮熱板時，兩塊平壁間的輻射換熱量當沒有遮熱板時，兩塊平壁間的輻射換熱量： 4412b1b21212()11211atta eeq