第八章辐射换热的计算.ppt
假设假设：(1)(1)把把参参与与辐辐射射换换热热的的有有关关表表面面视视作作一一个个封封闭闭腔腔，表表面面间的开口设想为具有黑表面的假想面；间的开口设想为具有黑表面的假想面；(2)(2)进进行行辐辐射射换换热热的的物物体体表表面面之之间间是是不不参参与与辐辐射射的的透透明明介介质质(如如单单原原子子或或具具有有对对称称分分子子结结构构的的双双原原子子气气体体、空空气气)或真空；或真空；(3)(3)参参与与辐辐射射换换热热的的物物体体表表面面都都是是漫漫射射(漫漫发发射射、漫漫反反射射)灰体或黑体表面；灰体或黑体表面；(4)(4)每个表面的温度、辐射特性及投入辐射分布均匀。每个表面的温度、辐射特性及投入辐射分布均匀。（一）封闭空腔中诸灰表面间的辐射换热（一）封闭空腔中诸灰表面间的辐射换热对对于于多多个个表表面面组组成成的的封封闭闭空空腔腔，采采用用网网络络法法计计算算不不方方便便，可以从能量平衡法入手进行分析。可以从能量平衡法入手进行分析。考察如图所示的封闭空腔内诸表面间的换热：考察如图所示的封闭空腔内诸表面间的换热：(a)(a)从从包包括括i i在在内内的的所所有有表表面面到达到达i i表面的总辐射热流表面的总辐射热流而而于是于是即即于是，离开于是，离开i i表面的净辐射热流为表面的净辐射热流为而由角系数的完整性，又有而由角系数的完整性，又有于是得于是得即即上上式式表表明明，表表面面i i的的净净辐辐射射热热流流Q Qi i可可表表示示为为它它对对其其它它各各个表面进行辐射换热的各个净辐射热流分量个表面进行辐射换热的各个净辐射热流分量Q Qi,ji,j之和。之和。于是，节点于是，节点i i的有效辐射通用表达式可写为的有效辐射通用表达式可写为图解表示为图解表示为对对于于已已知知表表面面的的净净辐辐射射热流而温度未知的情况热流而温度未知的情况减少表面间辐射换热最有效的方法是采用高反射比的减少表面间辐射换热最有效的方法是采用高反射比的表面涂层，或者在辐射表面之间加设防辐射屏。表面涂层，或者在辐射表面之间加设防辐射屏。T1T2T3 1 2 3（二）辐射换热的强化与削弱防辐射屏（二）辐射换热的强化与削弱防辐射屏 如果在两个进行辐射换热的漫灰表面之间如果在两个进行辐射换热的漫灰表面之间再放置一个不透明的漫灰表面，此时由于再放置一个不透明的漫灰表面，此时由于这第三个表面的存在而使原有两表面之间这第三个表面的存在而使原有两表面之间的辐射换热量大为减少。这是由于第三个的辐射换热量大为减少。这是由于第三个表面对辐射能的屏蔽作用造成的。因而称表面对辐射能的屏蔽作用造成的。因而称之为之为辐射屏辐射屏。已知两平板的温度已知两平板的温度各自均匀分布，且各自均匀分布，且分别等于分别等于T1和和T2，它们的黑度分别为它们的黑度分别为1和和2。此时在两平此时在两平板之间平行放入一板之间平行放入一个平板个平板3，其黑度为，其黑度为3，那么平板那么平板3就成就成为一块为一块辐射屏辐射屏。没有遮热屏时，由两平面的辐射热平没有遮热屏时，由两平面的辐射热平衡有：衡有：而加入遮热屏后，稳态时，由两平面而加入遮热屏后，稳态时，由两平面的辐射热平衡有：的辐射热平衡有：如果所有平板的黑度均相同，即如果所有平板的黑度均相同，即 T1T2T3 1 2 3于是于是 于是于是 即辐射量减少为原来的一半。可以设想，若加入即辐射量减少为原来的一半。可以设想，若加入n n块块发射率相同的遮热板，则热量将减少为原来发射率相同的遮热板，则热量将减少为原来 即即 其中其中，（，（q1,2）0 为无防辐射屏时的辐射换热速率。为无防辐射屏时的辐射换热速率。遮热板的几个应用：遮热板的几个应用：（1 1）在汽轮机中用于减少内、在汽轮机中用于减少内、外套管间的辐射换热量。外套管间的辐射换热量。（2 2）应用于储存液态气体的低温容器应用于储存液态气体的低温容器。对储存液氮、液氧等容器，为了提高保温效果，采用对储存液氮、液氧等容器，为了提高保温效果，采用多层屏壁并抽真空。遮热板用塑料簿膜制成，其上涂多层屏壁并抽真空。遮热板用塑料簿膜制成，其上涂以反射比很大的金属箔层。箔层厚度约以反射比很大的金属箔层。箔层厚度约0.01-0.05mm,0.01-0.05mm,箔间嵌以质轻且导热系数小的材料作分隔层，绝热层箔间嵌以质轻且导热系数小的材料作分隔层，绝热层中抽成高度真空。中抽成高度真空。据实测，冷壁据实测，冷壁2080K，外壁外壁300K时，在垂直于遮热时，在垂直于遮热板方向上的等效导热系数可低达板方向上的等效导热系数可低达510105W/(mK)，导热热阻可达常温下空气的几百倍，有超级绝热材料导热热阻可达常温下空气的几百倍，有超级绝热材料之称。之称。（3）用于超级隔热油管）用于超级隔热油管石油在地层下数千米，粘度大，石油在地层下数千米，粘度大，开采时需注射高温高压蒸汽使开采时需注射高温高压蒸汽使其粘度降低。为减少蒸汽散热其粘度降低。为减少蒸汽散热损失，可采用类似低温保温容损失，可采用类似低温保温容器的多层遮热板并抽真空。器的多层遮热板并抽真空。内内管管注蒸汽注蒸汽外管外管间隔材料间隔材料（4）用于提高温度测量的准确度）用于提高温度测量的准确度 如如果果使使用用裸裸露露热热电电偶偶测测量量高高温温气气流流的的温温度度，高高温温气气流流以以对对流流方方式式把把热热量量传传给给热热电电偶偶，同同时时热热电电偶偶又又以辐射方式把热量传给温度较低的容器壁。以辐射方式把热量传给温度较低的容器壁。在在热热平平衡衡时时，热热电电偶偶温温度度不不再再变变化化，此此温温度度为为指指示示温温度度，它它必必低低于于气气体体的的真真实实温温度度。使使用用遮遮热热罩罩抽抽气气式式热热电电偶偶时时，热热电电偶偶在在遮遮热热罩罩保保护护下下辐辐射射散散热热减减少少，抽气作用可增加对流换热，使测温误差减少。抽气作用可增加对流换热，使测温误差减少。为为使使遮遮热热罩罩能能对对热热电电偶偶有有效效地地起起屏屏蔽蔽作作用用，s/d应应大大于于22.2。书书中中例例题题8-9和和8-10表表明明，裸裸露露时时测测温温误误差差高高达达20.7%，用用单单层层遮热罩抽气式时误差降为遮热罩抽气式时误差降为4.9%.twt3t1ds（三）气体辐射（三）气体辐射 3-1：气体辐射的特点：气体辐射的特点(a)固固体体表表面面的的辐辐射射和和吸吸收收光光谱谱具具有有连连续续性性，但但气气体体的的辐辐射射和和吸吸收收具具有有明明显显选选择择性性；只只能能辐辐射射和和吸吸收收某某一一定定波波长长范范围围内内的的能能量量。利利用用这这一一性性质质可可制制成成谱谱带带分分析析仪仪，分析物质的成份；分析物质的成份；(b)对于某一投射辐射，只存在吸收和透射；对于某一投射辐射，只存在吸收和透射；1(c)气气体体的的吸吸收收和和辐辐射射在在整整个个气气体体空空间间中中进进行行，而而固固体体的的辐辐射射和和吸吸收收则则仅仅在在很很薄薄的的表表面面层层中中进进行行。气气体体对对辐辐射的吸收与气体的温度、气体分压和辐射层厚度射的吸收与气体的温度、气体分压和辐射层厚度S有关有关3-2：气体吸收定律：气体吸收定律设设x=0处处的的单单色色辐辐射射强强度度为为I,在在经经过过x距距离离后后，发发生生在在厚度为厚度为 dx的无限小薄层的衰减量为的无限小薄层的衰减量为分离变量并在整个辐射（吸收）层内积分，有分离变量并在整个辐射（吸收）层内积分，有即，即，此此为为Beer定定律律，为为描描述述气气体体吸吸收收的的基基本本定定律律，反反映气体穿透辐射的指数衰减规律。映气体穿透辐射的指数衰减规律。定义气体的透过率为定义气体的透过率为则对于气体，有则对于气体，有若认为对于气体，基尔霍夫定律仍然有效，则有若认为对于气体，基尔霍夫定律仍然有效，则有此即为介质的光谱发射率。此即为介质的光谱发射率。如如果果按按气气体体发发射射辐辐射射的的定定义义来来确确定定气气体体发发射射率率，则则有有影响气体发射率的因素有影响气体发射率的因素有（1）气体温度）气体温度Tg；（2）光射线平均行程）光射线平均行程S（一般根据（一般根据S=3.6V/F计算）计算）（3）气体分压及气体所处总压。）气体分压及气体所处总压。考虑到压强对发射率的影响，可把发射率改写为考虑到压强对发射率的影响，可把发射率改写为对于燃烧产生的烟气，考虑到其成分主要是对于燃烧产生的烟气，考虑到其成分主要是CO2和和H2O其混合气体的发射率可用下式表示其混合气体的发射率可用下式表示（四）火焰辐射（四）火焰辐射 燃燃烧烧火火焰焰一一般般可可分分为为三三种种类类型型：（1）不不发发光光火火焰焰；（2）半发光火焰；和（）半发光火焰；和（3）发光火焰）发光火焰天天然然气气、液液化化石石油油气气燃燃烧烧时时为为不不发发光光火火焰焰，辐辐射射来来自燃烧产物自燃烧产物CO2和和H2O气体；气体；低低挥挥发发分分固固体体粉粉状状燃燃料料（如如无无烟烟煤煤粉粉）燃燃烧烧时时为为半半发发光光火火焰焰，辐辐射射来来自自燃燃烧烧产产物物CO2和和H2O气气体体和和焦焦炭粒子；炭粒子；液液体体燃燃料料和和高高挥挥发发分分固固体体燃燃料料燃燃烧烧为为发发光光火火焰焰，其其辐辐射射主主要要来来自自碳碳黑黑粒粒子子。发发光光火火焰焰的的辐辐射射和和吸吸收收光光谱是连续的，发射率谱是连续的，发射率 g近似为近似为1，可视为黑体；，可视为黑体；例例1 1：平平板板型型太太阳阳能能集集热热器器的的吸吸热热表表面面对对太太阳阳辐辐射射的的吸吸收收率率为为0.92，表表面面发发射射率率为为0.15，集集热热器器表表面面积积是是20m2，表表面面温温度度为为80,周周围围空空气气温温度度为为18，表表面面对对流流换换热热系系数数为为3W/m2K，当当集集热热器器表表面面的的太太阳阳总总辐辐射射强强度度为为800W/m2，天天空空温温度度为为0时时，试试计计算算该该集集热热器器可可利利用用的太阳能辐射热和它的效率。的太阳能辐射热和它的效率。分分析析：太太阳阳能能辐辐射射效效率率（可可利利用用的的太太阳阳能能辐辐射射）/（太阳照射）（太阳照射）可可利利用用的的太太阳阳能能辐辐射射（太太阳阳辐辐射射得得热热天天空空辐辐射射得热）（对流失热表面辐射失热）得热）（对流失热表面辐射失热）其中：其中：太阳辐射得热太阳辐射得热=20 800 0.92=14720W天空辐射得热天空辐射得热=20 5.57 10-8 2734 0.15=945W对流失热对流失热=20 3 （8018）3720W表面辐射失热表面辐射失热=20 5.57 10-8 3534 0.15=2641W因因此此，可可利利用用的的太太阳阳能能辐辐射射热热14720945372026419304辐射效率辐射效率=9304/(800 20)=58%例例2 2：两两平平行行无无限限大大平平壁壁，发发射射率率 10.5;2=0.8;中中间间遮遮热热板板的的发发射射率率 31 32=0.05，求求辐辐射射换换热热减减少少的的百百分数。分数。分析：分析：未加遮热板时，未加遮热板时，解得解得加遮热板后，加遮热板后，其中其中由于是无限大平壁，消去由于是无限大平壁，消去 A1=A2=A3=F于是，有于是，有又又故得故得于是于是辐辐射射换换热热减减少份额为：少份额为：例例3 3：半半球球形形容容器器的的r=1m，底底部部圆圆形形面面积积上上有有温温度度为为200的的辐辐射射表表面面1和和温温度度为为40的的吸吸热热表表面面2。它它们们各各占占圆圆形形面面积积之之半半。1、2表表面面均均是是黑黑表表面面，容容器器壁壁面面3是是绝绝热热表表面面，试试计计算算表表面面1、2之之间间的的辐辐射射换换热热和和容容器器壁壁3的温度。的温度。分分析析：表表面面1、2、3构构成成封封闭闭空空腔腔，于是有于是有各表面间的角系数为：各表面间的角系数为：由角系数的完备性：由角系数的完备性：得得又又由由角角系系数数的的互换性，得互换性，得于是得于是得由由 于于 3表表 面面绝热，于是绝热，于是整理得整理得代入已知温度，解得代入已知温度，解得 T3=142而由于而由于3表面绝热，因此有表面绝热，因此有 Q1=-Q2计算计算 得得例例4 4：在在加加工工过过程程中中，面面积积A215m2的的曲曲面面太太阳阳能能吸吸收收器器表表面面上上的的特特殊殊涂涂层层受受宽宽W=1m 的的红红外外加加热热器器的的照照射射处处理理，吸吸收收器器和和加加热热器器的的长长度度都都是是L10m，它它们们相相隔隔的的距距离离为为H1m。已已知知：加加热热器器的的温温度度为为T11000K,发发射射率率 10.9，吸吸收收器器的的温温度度T2600K，发发射射率率 20.5,这这个个系系统统被被放放在在壁壁温温为为300K的的一一个个大大房房间间里里，问传给吸收器的净辐射热流是多少？，问传给吸收器的净辐射热流是多少？假定假定：（1）所有表面均是漫灰表面；）所有表面均是漫灰表面；（2）环环境境可可用用假假想想的的黑黑体体表表面面3表表示示，表表面面3的的温温度度T3300K；（3）表面）表面1、2、3组成一个封闭空腔。组成一个封闭空腔。分析分析：传给吸收器的净辐射热流为传给吸收器的净辐射热流为由于假定环境为黑体，构成封闭表面由于假定环境为黑体，构成封闭表面 3于是，传热网络可由下面给出于是，传热网络可由下面给出其中其中查图查图87求得求得则则于是于是由对称性由对称性故故于是，得于是，得整理后有整理后有(1)同理，对于加热器，也有同理，对于加热器，也有消去消去F1，代之，代之Eb1,X1,2,X1,3，可得，可得(2)联解联解(1)和和 (2)，得，得于是，于是，作业：作业：8-39,8-44,8-45,8-56
