第十二章__輻射傳熱的計(jì)算高等教學(xué)

1、第第12章章 輻射傳熱的計(jì)算輻射傳熱的計(jì)算1嚴(yán)選課件12.1 輻射傳熱的角系數(shù)輻射傳熱的角系數(shù) 前面講過(guò)，熱輻射的發(fā)射和吸收均具有空間方向特性，因此，表面前面講過(guò)，熱輻射的發(fā)射和吸收均具有空間方向特性，因此，表面間的輻射換熱與表面幾何形狀、大小和各表面的相對(duì)位置等幾個(gè)因素均間的輻射換熱與表面幾何形狀、大小和各表面的相對(duì)位置等幾個(gè)因素均有關(guān)系，這種因素常用角系數(shù)來(lái)考慮。角系數(shù)的概念是隨著固體表面輻有關(guān)系，這種因素常用角系數(shù)來(lái)考慮。角系數(shù)的概念是隨著固體表面輻射換熱計(jì)算的出現(xiàn)與發(fā)展，于射換熱計(jì)算的出現(xiàn)與發(fā)展，于20世紀(jì)世紀(jì)20年代提出的。年代提出的。12.1.1 角系數(shù)的定義及計(jì)算假定角系數(shù)的定義

2、及計(jì)算假定兩個(gè)表面之間的輻射換熱量與兩個(gè)表面之間的相對(duì)位置有很大關(guān)系。兩個(gè)表面之間的輻射換熱量與兩個(gè)表面之間的相對(duì)位置有很大關(guān)系。 圖圖12-1示出了兩個(gè)等溫表面間的兩種極端布置情況：示出了兩個(gè)等溫表面間的兩種極端布置情況： 圖圖a中兩表面間無(wú)限接近，相互間的中兩表面間無(wú)限接近，相互間的換熱量最大；換熱量最大； 圖圖b中兩表面位于同一平面上，相互中兩表面位于同一平面上，相互間的輻射換熱量為零。間的輻射換熱量為零。 兩個(gè)表面間的相對(duì)位置不同時(shí)，一個(gè)兩個(gè)表面間的相對(duì)位置不同時(shí)，一個(gè)表面發(fā)出而落到另一個(gè)表面上的輻射能的表面發(fā)出而落到另一個(gè)表面上的輻射能的百分?jǐn)?shù)隨之而異，從而影響到換熱量。百分?jǐn)?shù)隨之而

3、異，從而影響到換熱量。 圖圖12-1 表面相對(duì)位置的影響表面相對(duì)位置的影響2嚴(yán)選課件 把表面把表面1發(fā)出的輻射能中落到表面發(fā)出的輻射能中落到表面2上的百分?jǐn)?shù)稱為表面上的百分?jǐn)?shù)稱為表面1對(duì)表面對(duì)表面2的的角角系數(shù)系數(shù)，記為，記為 。同理也可以定義表面。同理也可以定義表面2對(duì)表面對(duì)表面l的角系數(shù)。的角系數(shù)。 1,2x 在討論角系數(shù)時(shí)，假定：在討論角系數(shù)時(shí)，假定： （1）所研究的表面是漫射的；）所研究的表面是漫射的； （2）在所研究表面的不同地點(diǎn)上向外發(fā)射）在所研究表面的不同地點(diǎn)上向外發(fā)射的輻射熱流密度是均勻的。的輻射熱流密度是均勻的。 于是，角系數(shù)就純是一個(gè)幾何因子。于是，角系數(shù)就純是一個(gè)幾何因子

4、。 12.1.2 角系數(shù)的性質(zhì)角系數(shù)的性質(zhì) 1、角系數(shù)的相對(duì)性、角系數(shù)的相對(duì)性 從一個(gè)微元表面從一個(gè)微元表面da1到另一個(gè)微元表面到另一個(gè)微元表面da2的角系數(shù)，的角系數(shù)，記為記為xd1,d2，按定義：，按定義：1, 21112122b11cosd ddcoscose dddbxlaaar211落到da 上由da 發(fā)出的輻射能da向外發(fā)出的總輻射能圖圖12-2 微元表面角系數(shù)微元表面角系數(shù)相對(duì)性證明的圖示相對(duì)性證明的圖示3嚴(yán)選課件類似地有：類似地有： 22111, 2coscosdraxdd得：得： 11, 222, 1ddddda xda x這就是這就是兩微元表面兩微元表面間角系數(shù)相對(duì)性的表

5、達(dá)式。間角系數(shù)相對(duì)性的表達(dá)式。 兩有限大小表面兩有限大小表面a1、a2之間角系數(shù)的相對(duì)性：之間角系數(shù)的相對(duì)性： 1,2111,2222,1bbae xa e x當(dāng)當(dāng) 時(shí)有：時(shí)有： 12tt11,222,1a xa x2、 角系數(shù)的完整性角系數(shù)的完整性 任何一個(gè)表面對(duì)封閉腔各表面的角系數(shù)任何一個(gè)表面對(duì)封閉腔各表面的角系數(shù)之間存在下列關(guān)系：之間存在下列關(guān)系： 1,11,21,31,1,11nniixxxxx此式表達(dá)的關(guān)系稱為此式表達(dá)的關(guān)系稱為角系數(shù)的完整性角系數(shù)的完整性。 圖圖12-3 有限大小兩表面間有限大小兩表面間角系數(shù)相對(duì)性證明的圖示角系數(shù)相對(duì)性證明的圖示圖圖12-4 角系數(shù)完整性證明的圖示

6、角系數(shù)完整性證明的圖示4嚴(yán)選課件表面表面1為非凹表面時(shí)，為非凹表面時(shí)， ；為凹表面時(shí)，；為凹表面時(shí)， 。 1,10x1,10x3、 角系數(shù)的可加性角系數(shù)的可加性 表面表面2發(fā)出的落到表面發(fā)出的落到表面1上輻射能等于表面上輻射能等于表面2各部分發(fā)射出的輻射能之和：各部分發(fā)射出的輻射能之和：111,2111,2111,2bbabbae xae xae x1,21,21,2abxxx1,21,21niixx222,1222 ,1222 ,1bababbba e xa e xa e x22,122 ,122 ,1aabba xa xa x222,12 ,12 ,122ababaaxxxaa表面表面1發(fā)

7、出的輻射能等于落到表面發(fā)出的輻射能等于落到表面2上的各部分的輻射能之和：上的各部分的輻射能之和：圖圖12-5 角系數(shù)可加性證明的圖示角系數(shù)可加性證明的圖示5嚴(yán)選課件12.1.3 角系數(shù)的計(jì)算方法角系數(shù)的計(jì)算方法 直接積分法是按角系數(shù)的基本定義通過(guò)求解多重積分直接積分法是按角系數(shù)的基本定義通過(guò)求解多重積分而獲得角系數(shù)的方法。而獲得角系數(shù)的方法。1212211,221coscosd1aaa daxar 求解角系數(shù)的方法有直接積分法、代數(shù)分析法及幾何分析法等。求解角系數(shù)的方法有直接積分法、代數(shù)分析法及幾何分析法等。1221, 22coscosdddaxr微元面積微元面積da1對(duì)對(duì)a2的角系數(shù)：的角系

8、數(shù)：21221,22coscosddaaxr表面表面a1對(duì)對(duì)a2的角系數(shù)：的角系數(shù)： 1212211,212coscosdaaaa xdar 1、直接積分法、直接積分法圖圖12-6 說(shuō)明直接說(shuō)明直接積分法的圖示積分法的圖示6嚴(yán)選課件這就是求解任意兩表面之間角系數(shù)的積分表達(dá)式。這就是求解任意兩表面之間角系數(shù)的積分表達(dá)式。 利用角系數(shù)的相對(duì)性、完整性及可加性，通過(guò)求解代數(shù)方程而獲得角利用角系數(shù)的相對(duì)性、完整性及可加性，通過(guò)求解代數(shù)方程而獲得角系數(shù)的方法稱為系數(shù)的方法稱為代數(shù)分析法代數(shù)分析法。 由三個(gè)表面組成的封閉系統(tǒng)的角系數(shù)計(jì)算公式：由三個(gè)表面組成的封閉系統(tǒng)的角系數(shù)計(jì)算公式：1,21,31xx2,

9、12,31xx3,13,21xx11,222,1a xa x11,333,1a xa x22,333,2a xa x1231,212aaaxa1231,212lllxl若系統(tǒng)橫截面上三個(gè)表面的長(zhǎng)度分別為若系統(tǒng)橫截面上三個(gè)表面的長(zhǎng)度分別為l l1 1，l l2 2和和l l3 3，則上式可寫(xiě)為：，則上式可寫(xiě)為：2、代數(shù)分析法、代數(shù)分析法圖圖12-10 三個(gè)表面的封閉系統(tǒng)三個(gè)表面的封閉系統(tǒng)7嚴(yán)選課件兩表面兩表面a1、a2之間的角系數(shù)：之間的角系數(shù)：,1ab cdab acab bdxxx ,2ab acabacbcxab,2ab bdabbdadxab,()2ab cdbcadacbdxab交叉線

10、法：交叉線法： 1,22x1交叉線之和 不交叉線之和表面a的斷面長(zhǎng)度 注意：這里所謂的交叉線和不交叉線都是指虛擬面斷面的線，或注意：這里所謂的交叉線和不交叉線都是指虛擬面斷面的線，或者說(shuō)是輔助線者說(shuō)是輔助線圖圖12-11 交叉線法圖示交叉線法圖示8嚴(yán)選課件圖圖12-12 例題例題12-1圖示圖示 例題例題12-1 試確定圖試確定圖12-12所示的表面所示的表面1對(duì)表面對(duì)表面對(duì)表面對(duì)表面2的角系數(shù)。的角系數(shù)。9嚴(yán)選課件12.2 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12.2.1 封閉腔模型及兩黑體表面組成的封閉腔封閉腔模型及兩黑體表面組成的封閉腔1 1、封閉腔模型、封閉腔模型 計(jì)算對(duì)象

11、必須是包含所研究表面在內(nèi)的一個(gè)封閉腔。計(jì)算對(duì)象必須是包含所研究表面在內(nèi)的一個(gè)封閉腔。2、兩黑體表面封閉系統(tǒng)的輻射換熱兩黑體表面封閉系統(tǒng)的輻射換熱1,2111,2222,111,21222,112()()1221bbbbbba e xa exa xeea xee表面 發(fā)出表面發(fā)出的熱輻射的熱輻射到達(dá)表面 到達(dá)表面的部分 的部分圖圖12-13 兩黑體表面換熱系統(tǒng)兩黑體表面換熱系統(tǒng)10嚴(yán)選課件 定義單位時(shí)間內(nèi)投射到表面的單位面積上的總輻射能為定義單位時(shí)間內(nèi)投射到表面的單位面積上的總輻射能為投入輻射投入輻射，記，記為為g； 定義單位時(shí)間內(nèi)離開(kāi)表面單位面積的總輻射能為該表面的定義單位時(shí)間內(nèi)離開(kāi)表面單位面

12、積的總輻射能為該表面的有效輻射有效輻射，記為記為j。 12.2.2 有效輻射有效輻射1、有效輻射的定義、有效輻射的定義表面表面1的有效輻射有如下表達(dá)式：的有效輻射有如下表達(dá)式： 11111111(1)bjegeg在表面外能感受到的輻射就是在表面外能感受到的輻射就是有效輻射有效輻射。 11嚴(yán)選課件2、有效輻射與輻射傳熱量的關(guān)系有效輻射與輻射傳熱量的關(guān)系 從表面從表面1的的外部外部觀察，能量收支差額：觀察，能量收支差額： 11qjg從表面從表面1的的內(nèi)部?jī)?nèi)部觀察，與外界的輻射換熱量：觀察，與外界的輻射換熱量： 111qeg有效輻射與輻射換熱量之間的關(guān)系：有效輻射與輻射換熱量之間的關(guān)系： 11(1)

13、bejqeq圖圖12-14 一個(gè)表面的輻射能量支出一個(gè)表面的輻射能量支出 12嚴(yán)選課件12.2.3 兩個(gè)漫灰表面組成的封閉腔的輻射傳熱兩個(gè)漫灰表面組成的封閉腔的輻射傳熱由兩個(gè)等溫的漫灰表面組成的二維封閉系統(tǒng)可抽象為由兩個(gè)等溫的漫灰表面組成的二維封閉系統(tǒng)可抽象為四種情形四種情形。 1,2111,2222,1a j xa j x11111,211(1)bj aae22222,121(1)bj aa e1,22,1 121,2121111,222111bbeeaa xa圖圖12-15 兩個(gè)物體組成的輻射傳熱系統(tǒng)兩個(gè)物體組成的輻射傳熱系統(tǒng)13嚴(yán)選課件1121,211,212111,222()()111

14、(1)(1)bbsbba eea xeeaxa1,22,1121111(1)(1)sxx 灰體系統(tǒng)的計(jì)算式中多了一個(gè)修正因子灰體系統(tǒng)的計(jì)算式中多了一個(gè)修正因子s。s的值小于的值小于1，它是考慮由，它是考慮由于灰體系統(tǒng)發(fā)射率之值小于于灰體系統(tǒng)發(fā)射率之值小于1引起的多次吸收與反射對(duì)換熱量影響的因子，引起的多次吸收與反射對(duì)換熱量影響的因子，稱為稱為系統(tǒng)發(fā)射率系統(tǒng)發(fā)射率（常稱系統(tǒng)黑度）。（常稱系統(tǒng)黑度）。 簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化1：表面：表面1為平面或凸表面為平面或凸表面44112121,211122()5.6711100100(1)bbsa eettaaa14嚴(yán)選課件1122111(1)saa簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化3：表面積：

15、表面積a2比比a1大得多。大得多。簡(jiǎn)化簡(jiǎn)化2：表面積：表面積a1和和a2相差很小。相差很小。441211121,212125.67100100()111111bbttaa ee44121,2111211()5.67100100bbtta eea圖圖12-16 平行平板間輻射平行平板間輻射傳熱的示意圖傳熱的示意圖15嚴(yán)選課件例題例題12-2：液氧儲(chǔ)存容器為雙壁鍍銀的夾層結(jié)構(gòu)（圖：液氧儲(chǔ)存容器為雙壁鍍銀的夾層結(jié)構(gòu)（圖12-17),),外壁內(nèi)表面外壁內(nèi)表面溫度溫度t tw1w120，內(nèi)壁外表面溫度，內(nèi)壁外表面溫度tw2183，鍍銀壁的發(fā)射率，鍍銀壁的發(fā)射率0.020.02。試計(jì)算由于輻射傳熱每單位面

16、積容器壁的散熱量。試計(jì)算由于輻射傳熱每單位面積容器壁的散熱量。圖圖12-17 液氧儲(chǔ)存容器示意圖液氧儲(chǔ)存容器示意圖16嚴(yán)選課件例題例題12-3： 一根直徑一根直徑d50mm、長(zhǎng)、長(zhǎng)l=8m的鋼管，被置于橫斷面為的鋼管，被置于橫斷面為0.2m0.2m 的磚槽道內(nèi)。若鋼管溫度和發(fā)射率分別為的磚槽道內(nèi)。若鋼管溫度和發(fā)射率分別為t1=250 、1 1=0.712=0.712，磚槽壁面溫，磚槽壁面溫度和發(fā)射率分別為度和發(fā)射率分別為t2=27 、2=0.123，試計(jì)算該鋼管的輻射熱損失。，試計(jì)算該鋼管的輻射熱損失。17嚴(yán)選課件 12.3 多表面系統(tǒng)的輻射傳熱多表面系統(tǒng)的輻射傳熱 多表面系統(tǒng)中，一個(gè)表面的凈

17、輻射換熱量是與其余各表面分別換熱的換多表面系統(tǒng)中，一個(gè)表面的凈輻射換熱量是與其余各表面分別換熱的換熱量之和。熱量之和。工程計(jì)算的主要目的是獲得一個(gè)表面的凈輻射換熱量。工程計(jì)算的主要目的是獲得一個(gè)表面的凈輻射換熱量。 對(duì)于多表面系統(tǒng)，可以采用對(duì)于多表面系統(tǒng)，可以采用網(wǎng)絡(luò)法或數(shù)值方法網(wǎng)絡(luò)法或數(shù)值方法來(lái)計(jì)算每一表面的凈輻射來(lái)計(jì)算每一表面的凈輻射換熱量。換熱量。 12.3.1 兩表面換熱系統(tǒng)的輻射網(wǎng)絡(luò)兩表面換熱系統(tǒng)的輻射網(wǎng)絡(luò)由由 得：得：qejb) 11(1bejq或或 1beja 由由 得：得：1,2111,2222,111,212()a j xa j xa xjj121,211,21jja x18

18、嚴(yán)選課件 與電學(xué)中的歐姆定律相比，換與電學(xué)中的歐姆定律相比，換熱量熱量相當(dāng)于電流強(qiáng)度；相當(dāng)于電流強(qiáng)度； 或或 相當(dāng)于電勢(shì)差；而相當(dāng)于電勢(shì)差；而 及及 相當(dāng)于電阻，相當(dāng)于電阻，分別稱為輻射傳熱的分別稱為輻射傳熱的表面輻射熱阻表面輻射熱阻及及空間輻射熱阻空間輻射熱阻，它們分別取決于，它們分別取決于表面的輻射特性（表面的輻射特性（）及表面的空）及表面的空間結(jié)構(gòu)（角系數(shù)間結(jié)構(gòu)（角系數(shù)x）。）。 ()bej12()jj1a11,21a x兩個(gè)灰體表面間輻射換熱的等效網(wǎng)絡(luò)：兩個(gè)灰體表面間輻射換熱的等效網(wǎng)絡(luò)： 換熱量計(jì)算式：換熱量計(jì)算式：121,2121111,222111bbeeaa xa 把輻射熱阻比擬

19、成等效的電阻從而通過(guò)等效的網(wǎng)絡(luò)圖來(lái)求解輻射換熱的把輻射熱阻比擬成等效的電阻從而通過(guò)等效的網(wǎng)絡(luò)圖來(lái)求解輻射換熱的方法稱為方法稱為輻射換熱的網(wǎng)絡(luò)法輻射換熱的網(wǎng)絡(luò)法。 圖圖12-112 輻射傳熱單元網(wǎng)絡(luò)圖輻射傳熱單元網(wǎng)絡(luò)圖圖圖12-20 兩表面封閉腔輻射兩表面封閉腔輻射傳熱等效網(wǎng)絡(luò)圖傳熱等效網(wǎng)絡(luò)圖19嚴(yán)選課件 是空間熱勢(shì)差，空間輻射是空間熱勢(shì)差，空間輻射熱阻見(jiàn)右圖，熱阻見(jiàn)右圖，每一對(duì)表面就有一個(gè)空間每一對(duì)表面就有一個(gè)空間輻射熱阻。輻射熱阻。21jj 空間輻射熱阻空間輻射熱阻1j2, 111xa2j 稱為表面熱勢(shì)差；表面輻射稱為表面熱勢(shì)差；表面輻射熱阻見(jiàn)右圖，熱阻見(jiàn)右圖，每一個(gè)表面都有一個(gè)表每一個(gè)表面

20、都有一個(gè)表面輻射熱阻。面輻射熱阻。對(duì)于黑對(duì)于黑體體表面，表面， 1 rr 0 即，即，黑體的表面熱阻等于零。黑體的表面熱阻等于零。jebbea11j表面輻射熱阻表面輻射熱阻20嚴(yán)選課件12.3.2 多表面封閉系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)法求解的實(shí)施步驟多表面封閉系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)法求解的實(shí)施步驟 （1）畫(huà)出等效的網(wǎng)絡(luò)圖。畫(huà)出等效的網(wǎng)絡(luò)圖。 ( (a) )每一個(gè)參與換熱的表面（凈換熱量不為零的表面）均應(yīng)有一段每一個(gè)參與換熱的表面（凈換熱量不為零的表面）均應(yīng)有一段相應(yīng)的電路，它包括源電勢(shì)、與表面熱阻相應(yīng)的電阻及節(jié)點(diǎn)電勢(shì)；相應(yīng)的電路，它包括源電勢(shì)、與表面熱阻相應(yīng)的電阻及節(jié)點(diǎn)電勢(shì)； ( (b) )各表面之間的連接，由節(jié)點(diǎn)電勢(shì)出發(fā)通

21、過(guò)空間熱阻進(jìn)行。各表面之間的連接，由節(jié)點(diǎn)電勢(shì)出發(fā)通過(guò)空間熱阻進(jìn)行。 （2）列出節(jié)點(diǎn)的電流方程。列出節(jié)點(diǎn)的電流方程。以三表面輻射換熱問(wèn)題為例：以三表面輻射換熱問(wèn)題為例： 1131211111,211,311:0111bejjjjjja xa xa2232122211,222,322:0111bejjjjjja xa xa3313233311,322,333:0111bejjjjjja xa xa21嚴(yán)選課件 圖圖12-21 由由3個(gè)表面組成的封閉腔個(gè)表面組成的封閉腔圖圖12-22 三表面封閉腔的等效網(wǎng)絡(luò)圖三表面封閉腔的等效網(wǎng)絡(luò)圖22嚴(yán)選課件（3）求解上述代數(shù)方程得出節(jié)點(diǎn)電勢(shì)（表面有效輻射）求解上

22、述代數(shù)方程得出節(jié)點(diǎn)電勢(shì)（表面有效輻射） 、 及及 。1j2j3j（4）按公式按公式 確定每個(gè)表面的凈輻射換熱量。確定每個(gè)表面的凈輻射換熱量。1biiiiiieja 12.3.3 三表面封閉系統(tǒng)中的兩種特殊情形三表面封閉系統(tǒng)中的兩種特殊情形（1）有一個(gè)表面為）有一個(gè)表面為黑體黑體。 其表面熱阻其表面熱阻 ，有，有 。33310a33bje（2）有一個(gè)）有一個(gè)表面絕熱表面絕熱，即凈輻射換熱量，即凈輻射換熱量q為零。為零。33311bbjeqe23嚴(yán)選課件圖圖12-23 三表面系統(tǒng)的兩個(gè)特例三表面系統(tǒng)的兩個(gè)特例24嚴(yán)選課件 該表面的有效輻射等于某一溫度下的黑體輻射。與已知表面為黑體的該表面的有效輻射

23、等于某一溫度下的黑體輻射。與已知表面為黑體的情形不同的是，此絕熱表面的溫度是未知的。情形不同的是，此絕熱表面的溫度是未知的。 輻射換熱系統(tǒng)中，這種表面溫度未定而凈的輻射換熱量為零的表面稱輻射換熱系統(tǒng)中，這種表面溫度未定而凈的輻射換熱量為零的表面稱為為重輻射面重輻射面。121,2bbteer12112211teqrraa11,211,322,311111eqra xa xa x11,211,322,311,211,322,3111111eqa xa xa xra xa xa x即即 25嚴(yán)選課件1、適合計(jì)算機(jī)求解的有效輻射計(jì)算表達(dá)式、適合計(jì)算機(jī)求解的有效輻射計(jì)算表達(dá)式 當(dāng)封閉系統(tǒng)的表面數(shù)目大于或

24、等于當(dāng)封閉系統(tǒng)的表面數(shù)目大于或等于4時(shí)，適宜于用計(jì)算機(jī)來(lái)求解由時(shí)，適宜于用計(jì)算機(jī)來(lái)求解由 所組成所組成的代數(shù)方程組，這時(shí)將節(jié)點(diǎn)代數(shù)方程寫(xiě)成有效輻射的顯函數(shù)的形式比較方便。的代數(shù)方程組，這時(shí)將節(jié)點(diǎn)代數(shù)方程寫(xiě)成有效輻射的顯函數(shù)的形式比較方便。 ij 假定每個(gè)表面都是漫灰的，空腔中的介質(zhì)不參與熱輻射。設(shè)所有表面都不假定每個(gè)表面都是漫灰的，空腔中的介質(zhì)不參與熱輻射。設(shè)所有表面都不是內(nèi)凹的，即所有表面對(duì)自身的角系數(shù)是內(nèi)凹的，即所有表面對(duì)自身的角系數(shù) 。于是對(duì)任一表面有：。于是對(duì)任一表面有： ,0i ix4,1(1)niiiijj ijijjtj xaa利用角系數(shù)的相對(duì)性利用角系數(shù)的相對(duì)性 有：有： ,j

25、 iji jixaxa4,1(1),1,2,niiiiji jjjtj xin2、計(jì)算表面數(shù)的劃分應(yīng)以熱邊界條件為主要依據(jù)。計(jì)算表面數(shù)的劃分應(yīng)以熱邊界條件為主要依據(jù)。 12.3.4 多表面封閉系統(tǒng)輻射傳熱計(jì)算的幾點(diǎn)說(shuō)明多表面封閉系統(tǒng)輻射傳熱計(jì)算的幾點(diǎn)說(shuō)明26嚴(yán)選課件例題例題12-5： 兩塊尺寸均為兩塊尺寸均為1m2m、間距為、間距為1m的平行平板置于室溫的平行平板置于室溫t3=27 的大廠房?jī)?nèi)。平板背面不參與換熱。已知兩板的溫度和發(fā)射率分別為的大廠房?jī)?nèi)。平板背面不參與換熱。已知兩板的溫度和發(fā)射率分別為 t1=827、 t2=327 和1=0.2、 2=0.5，試計(jì)算每塊板的凈輻射散熱量及廠，試

26、計(jì)算每塊板的凈輻射散熱量及廠房墻壁所得到的輻射熱量。房墻壁所得到的輻射熱量。27嚴(yán)選課件 12.4 氣體輻射的特點(diǎn)及計(jì)算氣體輻射的特點(diǎn)及計(jì)算 本節(jié)將簡(jiǎn)要介紹氣體輻射的特點(diǎn)、換熱過(guò)程及其處理方法。在工程中本節(jié)將簡(jiǎn)要介紹氣體輻射的特點(diǎn)、換熱過(guò)程及其處理方法。在工程中常見(jiàn)的溫度范圍內(nèi)，常見(jiàn)的溫度范圍內(nèi)， 和和 具有很強(qiáng)的吸收和發(fā)射熱輻射的本領(lǐng)，而其具有很強(qiáng)的吸收和發(fā)射熱輻射的本領(lǐng)，而其他的氣體則較弱，這也是本節(jié)采用這兩種氣體作為例子的原因。他的氣體則較弱，這也是本節(jié)采用這兩種氣體作為例子的原因。2cooh2 空氣、氫、氧等分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱的雙原子氣體，可認(rèn)為是熱輻射的透明體?？諝?、氫、氧等分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱的

27、雙原子氣體，可認(rèn)為是熱輻射的透明體。 臭氧、二氧化碳、水蒸氣等三原子、多原子以及結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的雙原子氣體臭氧、二氧化碳、水蒸氣等三原子、多原子以及結(jié)構(gòu)不對(duì)稱的雙原子氣體具有相當(dāng)大的輻射本領(lǐng)。具有相當(dāng)大的輻射本領(lǐng)。 12.4.1 氣體輻射的特點(diǎn)氣體輻射的特點(diǎn)氣體輻射不同于固體和液體輻射，它們具有如下兩個(gè)特點(diǎn)：氣體輻射不同于固體和液體輻射，它們具有如下兩個(gè)特點(diǎn)：（1）氣體輻射對(duì)波長(zhǎng)有選擇性。）氣體輻射對(duì)波長(zhǎng)有選擇性。 它只在某譜帶內(nèi)具有發(fā)射和吸收輻射的本領(lǐng)，而對(duì)于其他譜帶則它只在某譜帶內(nèi)具有發(fā)射和吸收輻射的本領(lǐng)，而對(duì)于其他譜帶則呈現(xiàn)透明狀態(tài)。呈現(xiàn)透明狀態(tài)。 有輻射能力的波長(zhǎng)區(qū)段稱為光帶。有輻射能力的

28、波長(zhǎng)區(qū)段稱為光帶。 二氧化碳的主要光帶有三段：二氧化碳的主要光帶有三段： 水蒸氣的主要光帶也有三段：水蒸氣的主要光帶也有三段： 氣體不是灰體。氣體不是灰體。28嚴(yán)選課件 ( (2) ) 氣體的輻射和吸收是在整個(gè)容積中進(jìn)行的。氣體的輻射和吸收是在整個(gè)容積中進(jìn)行的。 這是由于輻射可以進(jìn)入氣體，并在其內(nèi)部進(jìn)行傳遞，最后有一部分這是由于輻射可以進(jìn)入氣體，并在其內(nèi)部進(jìn)行傳遞，最后有一部分會(huì)穿透氣體而到達(dá)外部或固體壁面，因而，氣體的發(fā)射率和吸收比還與會(huì)穿透氣體而到達(dá)外部或固體壁面，因而，氣體的發(fā)射率和吸收比還與容器的形狀和容積大小有關(guān)。容器的形狀和容積大小有關(guān)。12.4.2 光譜輻射能在氣層中的定向傳遞光

29、譜輻射能在氣層中的定向傳遞 輻射能削弱的程度取決于輻射強(qiáng)度及途中所碰到的氣體分子數(shù)目。輻射能削弱的程度取決于輻射強(qiáng)度及途中所碰到的氣體分子數(shù)目。氣體分子數(shù)目和射線行程長(zhǎng)度及氣體密度氣體分子數(shù)目和射線行程長(zhǎng)度及氣體密度有關(guān)。有關(guān)。 假設(shè)投射到氣體界面假設(shè)投射到氣體界面 x = 0 處的光譜輻射強(qiáng)度為處的光譜輻射強(qiáng)度為 ，通過(guò)一段距，通過(guò)一段距離離x后，該輻射變?yōu)楹?，該輻射變?yōu)?。再通過(guò)微元?dú)怏w層。再通過(guò)微元?dú)怏w層 dx 后，其衰減量后，其衰減量為為 。0 ,lxl,xdl, 理論上已經(jīng)證明，理論上已經(jīng)證明， 與行程與行程 dx 成正比，設(shè)比例系數(shù)為成正比，設(shè)比例系數(shù)為 ，則有則有xxll,dxk

30、,xxdlk ldx 式中，式中， 為光譜減弱系數(shù)。為光譜減弱系數(shù)。 k29嚴(yán)選課件圖圖12-27 co2和和h2o主要光帶示意圖主要光帶示意圖圖圖12-28 輻射能在氣輻射能在氣層中的傳遞層中的傳遞30嚴(yán)選課件式中，式中，s 是輻射通過(guò)的路程長(zhǎng)度，常稱之為是輻射通過(guò)的路程長(zhǎng)度，常稱之為射線程長(zhǎng)射線程長(zhǎng)。從上式可知，熱輻。從上式可知，熱輻射在氣體內(nèi)呈指數(shù)規(guī)律衰減。射在氣體內(nèi)呈指數(shù)規(guī)律衰減。式中，式中， 為光譜減弱系數(shù)。它取決于其體的種類、密度和波長(zhǎng)。為光譜減弱系數(shù)。它取決于其體的種類、密度和波長(zhǎng)。 k貝爾定律貝爾定律,0,0,0ssisxskixdllkdxell ,0skslle厚度為厚度為

31、s的氣體層的單色穿透比：的氣體層的單色穿透比： ,0( , )ssll ( , )k sse 31嚴(yán)選課件12.4.3 平均射線程長(zhǎng)的計(jì)算平均射線程長(zhǎng)的計(jì)算 工程中作為關(guān)心的是確定氣體所有譜帶內(nèi)輻射能量的總和。于是工程中作為關(guān)心的是確定氣體所有譜帶內(nèi)輻射能量的總和。于是需要首先確定氣體的發(fā)射率需要首先確定氣體的發(fā)射率 ，然后利用，然后利用 計(jì)算氣計(jì)算氣體的發(fā)射輻射。而由于氣體的容積輻射特性，體的發(fā)射輻射。而由于氣體的容積輻射特性， 與射線程長(zhǎng)關(guān)與射線程長(zhǎng)關(guān)s系密切，系密切，而而s取決于氣體容積的形狀和尺寸。如圖取決于氣體容積的形狀和尺寸。如圖8-37所示。為了使射線程長(zhǎng)均所示。為了使射線程長(zhǎng)均

32、勻，人們引入了當(dāng)量半球的概念，將不是球形的容積等效為半球。則勻，人們引入了當(dāng)量半球的概念，將不是球形的容積等效為半球。則其半徑就是等效的射線程長(zhǎng)，見(jiàn)圖其半徑就是等效的射線程長(zhǎng)，見(jiàn)圖8-38所示。所示。 目前人們已經(jīng)將一些典型幾何容積的氣體對(duì)整個(gè)包壁的平均射線目前人們已經(jīng)將一些典型幾何容積的氣體對(duì)整個(gè)包壁的平均射線程長(zhǎng)列于表程長(zhǎng)列于表8-1中。在缺少資料的情況下，任意幾個(gè)形狀氣體對(duì)整個(gè)包中。在缺少資料的情況下，任意幾個(gè)形狀氣體對(duì)整個(gè)包壁的平均射線程長(zhǎng)可按下式計(jì)算：壁的平均射線程長(zhǎng)可按下式計(jì)算： g4ggtagavs6.3式中，式中，v為氣體容積，為氣體容積，m3；a為包壁面積，為包壁面積，m2。

33、氣體層的吸收比：氣體層的吸收比： ( , )1k sse 氣體層的光譜發(fā)射率：氣體層的光譜發(fā)射率： ( , )1k sse 32嚴(yán)選課件圖圖12-30 半球內(nèi)氣體對(duì)球心的輻半球內(nèi)氣體對(duì)球心的輻射射圖圖12-212 氣體對(duì)不同地區(qū)的輻氣體對(duì)不同地區(qū)的輻射射33嚴(yán)選課件),(pstfgg 利用上面的關(guān)系，可以采用試驗(yàn)獲得利用上面的關(guān)系，可以采用試驗(yàn)獲得 ，圖，圖12-31給出了水蒸氣發(fā)射給出了水蒸氣發(fā)射率率 的圖線。圖的圖線。圖12-32則是其修正系數(shù)則是其修正系數(shù) ，于是，水蒸氣的發(fā)射率，于是，水蒸氣的發(fā)射率為為gohc2*222ohohohc*2oh對(duì)應(yīng)于對(duì)應(yīng)于 的圖分別是的圖分別是12-33

34、和圖和圖12-34。于是。于是2co*222cocococ 氣體對(duì)容器器壁的平均輻射力或?qū)ζ鞅谏夏骋恢付ǖ攸c(diǎn)的輻射力受氣體對(duì)容器器壁的平均輻射力或?qū)ζ鞅谏夏骋恢付ǖ攸c(diǎn)的輻射力受氣體的溫度、成分和沿途吸收性氣體分子數(shù)目等因素所支配：氣體的溫度、成分和沿途吸收性氣體分子數(shù)目等因素所支配：12.4.4 水蒸氣、二氧化碳發(fā)射率、吸收比的經(jīng)驗(yàn)確定圖線水蒸氣、二氧化碳發(fā)射率、吸收比的經(jīng)驗(yàn)確定圖線1、水蒸氣、二氧化碳對(duì)包壁上指定地點(diǎn)輻射的發(fā)射率、水蒸氣、二氧化碳對(duì)包壁上指定地點(diǎn)輻射的發(fā)射率34嚴(yán)選課件當(dāng)氣體中同時(shí)存在二氧化碳和水蒸氣時(shí)，氣體的發(fā)射率由下式給出當(dāng)氣體中同時(shí)存在二氧化碳和水蒸氣時(shí)，氣體的發(fā)射率由

35、下式給出:*2222cocoohohgcc式中，式中， 是修正量，由圖是修正量，由圖12-35給出。給出。35嚴(yán)選課件*2222cocoohohgcc式中修正系數(shù)式中修正系數(shù) 和和 與發(fā)射率公式中的處理方法相同，與發(fā)射率公式中的處理方法相同，而而 ， 和和 的確定可以采用下面的經(jīng)驗(yàn)公式的確定可以采用下面的經(jīng)驗(yàn)公式ohc22coc*2oh*2co45. 0)(,*222wgttsptohohttgwohw65. 0)(,*222wgttsptcocottgwcowwt2、水蒸氣和二氧化碳對(duì)黑體包殼內(nèi)熱輻射的吸收比、水蒸氣和二氧化碳對(duì)黑體包殼內(nèi)熱輻射的吸收比36嚴(yán)選課件在氣體發(fā)射率和吸收比確定后，

36、氣體與黑體外殼之間的輻射換熱公式為在氣體發(fā)射率和吸收比確定后，氣體與黑體外殼之間的輻射換熱公式為:44,5.57100100gwgb ggb wggttqee12.4.5 氣體與黑體包殼內(nèi)的輻射傳熱計(jì)算氣體與黑體包殼內(nèi)的輻射傳熱計(jì)算37嚴(yán)選課件例題例題12-8： 在直徑為在直徑為1m、長(zhǎng)、長(zhǎng)2m的圓形煙管中，有溫度為的圓形煙管中，有溫度為1027 的煙氣通過(guò)。的煙氣通過(guò)。若煙氣總壓力為若煙氣總壓力為105pa，其中二氧化碳占，其中二氧化碳占10，水蒸氣占，水蒸氣占8，其余為不輻射，其余為不輻射氣體，試計(jì)算煙氣對(duì)整個(gè)包壁的平均發(fā)射率。氣體，試計(jì)算煙氣對(duì)整個(gè)包壁的平均發(fā)射率。38嚴(yán)選課件12.5 輻射傳熱的控制（強(qiáng)化與削弱）輻射傳熱的控制（強(qiáng)化與削弱）由于工程上的需求，經(jīng)常需要強(qiáng)化或削弱輻射換熱。由于工程上的需求，經(jīng)常需要強(qiáng)化或削弱輻射換熱。強(qiáng)化輻射換熱強(qiáng)化輻射換熱的主要途徑有兩種：的主要途徑有兩種： ( (1) ) 增加發(fā)射率；增加發(fā)射率；( (2) ) 增加角系數(shù)。增加角系數(shù)。削弱輻射換熱削弱