第九章輻射傳熱的計(jì)算

第九章輻射傳熱的計(jì)算第1頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1)進(jìn)行輻射換熱的物體表面之間是不參與輻射的介質(zhì)(如單原子或具有對(duì)稱(chēng)分子結(jié)構(gòu)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漫射（漫發(fā)射、漫反射）灰體或黑體表面；3)每個(gè)表面的溫度、輻射特性及投入輻射分布均勻。為了使輻射換熱的計(jì)算簡(jiǎn)化，引入如下假設(shè)：第2頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三9.1輻射傳熱的角系數(shù)

物體間的輻射換熱與物體表面的幾何形狀、大小及相對(duì)位置有關(guān)，角系數(shù)是反映這些幾何因素對(duì)輻射換熱影響的重要參數(shù)。1.角系數(shù)的定義

兩個(gè)任意位置的表面1、2,從表面1發(fā)出（自身發(fā)射與反射）的總輻射能中直接投射到表面2上的輻射能占總輻射能的百分?jǐn)?shù)稱(chēng)為表面1對(duì)表面2的角系數(shù)，用符號(hào)表示。第3頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(1)角系數(shù)的相對(duì)性：即任意兩個(gè)表面之間的角系數(shù)不是獨(dú)立的，而是受上述關(guān)系制約。(2)角系數(shù)與溫度無(wú)關(guān)，它完全取決于幾何關(guān)系。(3)角系數(shù)的完整性：對(duì)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(gè)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(duì)其余各表面的角系數(shù)之間存在下列關(guān)系：(4)角系數(shù)的可加性：角系數(shù)的三個(gè)特性：第4頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三利用角系數(shù)計(jì)算黑體間的輻射換熱

落在黑體表面上的能量被全部吸收，所以任意兩個(gè)黑體表面間的換熱量為：角系數(shù)第5頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三角系數(shù)的計(jì)算方法：(1)積分法(2)代數(shù)法根據(jù)角系數(shù)積分表達(dá)式通過(guò)積分運(yùn)算求得角系數(shù)工程上為計(jì)算方便,已將常見(jiàn)幾何系統(tǒng)的角系數(shù)計(jì)算結(jié)果用公式或線算圖的形式給出。

第6頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三黑體間的輻射換熱及角系數(shù)平行的長(zhǎng)方形表面間的角系數(shù)線算圖

第7頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三黑體間的輻射換熱及角系數(shù)相互垂直的兩長(zhǎng)方形表面間的角系數(shù)線算圖

第8頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三黑體間的輻射換熱及角系數(shù)平行的同心圓形表面間的角系數(shù)線算圖

第9頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三角系數(shù)的計(jì)算方法2：代數(shù)法三個(gè)非凹表面組成的封閉輻射系統(tǒng)

利用角系數(shù)的定義及性質(zhì),通過(guò)代數(shù)運(yùn)算確定角系數(shù)的方法。以三個(gè)表面的封閉系統(tǒng)為例說(shuō)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)的相對(duì)性有：第10頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三黑體間的輻射換熱及角系數(shù)例題講解：[例]試用代數(shù)法確定如圖所示的表面A1和A2之間的角系數(shù)，假定垂直于紙面方向上表面的長(zhǎng)度是無(wú)限延伸的。

答案例：P404例9-1自學(xué)第11頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三9.2兩表面封閉系統(tǒng)的輻射換熱

1.兩黑體表面組成的封閉系統(tǒng)的輻射換熱兩個(gè)黑體表面構(gòu)成的封閉空腔“封閉腔模型”兩個(gè)黑體表面輻射換熱量：

空間輻射換熱熱阻第12頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三1、2兩個(gè)封閉黑體表面之間的輻射換熱可以用輻射網(wǎng)絡(luò)圖來(lái)表示：空間輻射換熱熱阻二個(gè)黑體表面構(gòu)成封閉空腔的輻射換熱網(wǎng)絡(luò)

第13頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三2.兩灰體表面間的輻射換熱

單位時(shí)間內(nèi)投射到單位面積表面上的總輻射能被稱(chēng)為投入輻射，記為G；單位時(shí)間內(nèi)離開(kāi)單位面積表面的總輻射能為該表面的有效輻射，記為J。漫射、灰體表面(簡(jiǎn)稱(chēng)漫灰表面)1）灰體表面的吸收比小于1；2)灰體表面向外發(fā)射的輻射能除了自身輻射還包含反射輻射；兩灰體表面間的輻射換熱不同于黑體，比較復(fù)雜：“有效輻射”定義：第14頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三根據(jù)有效輻射的定義有：

根據(jù)表面的輻射平衡,單位面積的輻射換熱量應(yīng)該等于有效輻射與投入輻射之差，即有：漫灰表面表面輻射熱阻第15頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

兩個(gè)漫灰表面構(gòu)成的封閉空腔中的輻射換熱計(jì)算：

兩個(gè)漫灰表面構(gòu)成的封閉空腔

兩個(gè)漫灰表面1、2構(gòu)成一個(gè)封閉腔,如圖所示，并假設(shè)

表面1凈損失的熱量為:表面2凈獲得的熱量為:表面1、2之間凈輻射換熱量為:第16頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三兩個(gè)漫灰表面構(gòu)成封閉空腔的輻射網(wǎng)絡(luò)稱(chēng)為系統(tǒng)黑度

第17頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三三個(gè)灰體間的輻射換熱網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)1節(jié)點(diǎn)1節(jié)點(diǎn)3第18頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三9.4氣體輻射氣體輻射的特點(diǎn)(1)氣體的輻射和吸收能力與氣體的分子結(jié)構(gòu)有關(guān)(2)氣體的輻射和吸收對(duì)波長(zhǎng)有明顯的選擇性(3)固體及液體的輻射屬于表面輻射,而氣體的輻射和吸收是在整個(gè)氣體容積中進(jìn)行的，屬于體積輻射。(4)氣體的反射率為零

第19頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三氣體輻射的特點(diǎn)1：在工業(yè)上常見(jiàn)的溫度范圍內(nèi)，單原子氣體及空氣、H2、O2、N2等結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)的雙原子氣體，無(wú)發(fā)射和吸收輻射的能力可認(rèn)為是透明體。

CO2、H2O、SO2、CH4和CO等氣體都具有輻射的本領(lǐng)。例：煤和天然氣的燃燒產(chǎn)物中常有一定濃度的CO2和H2O。高爐煤氣主要成分是CO、CO2和N2。

第20頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三氣體輻射的特點(diǎn)2：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。氣體只能輻射和吸收一定波長(zhǎng)范圍（稱(chēng)為光帶）內(nèi)的輻射能，在光帶以外的波長(zhǎng)既不能輻射也不能吸收。不同的氣體光帶范圍不同。對(duì)于光帶以外的輻射射線，氣體可以看作是透明體。例：大氣中的臭氧層能保護(hù)人類(lèi)免受紫外線的傷害

第21頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三氣體輻射的特點(diǎn)3:

熱射線穿過(guò)氣體層時(shí)，輻射能沿途被氣體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)目越多，被吸收的輻射能也越多。因此氣體的吸收能力αg與熱射線經(jīng)歷的行程長(zhǎng)度L，氣體分壓力p和氣體溫度Tg等因素有關(guān)。第22頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三氣體的發(fā)射率與吸收率

氣體發(fā)射率:氣體發(fā)射率主要取決于氣體的種類(lèi)、氣體溫度和輻射行程中的氣體分子數(shù)目。輻射行程中的氣體分子數(shù)則與氣體分壓力p和射程L有關(guān)，即與pL乘積成正比。實(shí)際計(jì)算中，氣體的發(fā)射率根據(jù)實(shí)驗(yàn)圖表確定。

氣體的吸收率:氣體的吸收率與氣體溫度以及器壁溫度都有關(guān)，所以不能看做灰體。氣體溫度和器壁溫度相同時(shí)，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等于它的發(fā)射率。第23頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三9.5輻射傳熱的控制（強(qiáng)化與削弱）在現(xiàn)代隔熱保溫技術(shù)中，遮熱板的應(yīng)用比較廣泛。例如：

煉鋼工人的遮熱面罩、航天器的多層真空艙壁、低溫技術(shù)中的多層隔熱容器測(cè)溫技術(shù)中測(cè)溫元件的輻射屏蔽等，遮熱板的主要作用就是削弱輻射換熱。

遮熱板的應(yīng)用:第24頁(yè)，共26頁(yè)，2023年，2月20日，星期三遮熱板削弱輻射傳熱的原理以“兩塊靠得很近的大平壁間的輻射換熱”為例來(lái)說(shuō)明當(dāng)沒(méi)有遮熱板時(shí)，兩塊平壁間的輻射換熱量：在兩塊平壁之間加一塊大小一樣、表面發(fā)射率相同的遮熱板（忽略導(dǎo)熱熱阻）輻射