辐射传热的计算

1、第九章 辐射传热的计算1) 进行辐射换热的物体表面之间是不参与进行辐射换热的物体表面之间是不参与辐射的介质辐射的介质(如单原子或具有对称分子结构如单原子或具有对称分子结构的双原子气体、空气或真空的双原子气体、空气或真空)；2) 参与辐射换热的物体表面都是参与辐射换热的物体表面都是漫射漫射（漫（漫发射、漫反射）发射、漫反射）灰体或黑体灰体或黑体表面；表面；3)每个表面的温度、辐射特性及投入辐射每个表面的温度、辐射特性及投入辐射分布均匀。分布均匀。为了使辐射换热的计算简化，引入如下假设：为了使辐射换热的计算简化，引入如下假设：9.1 辐射传热的角系数辐射传热的角系数 物体间的辐射换热与物体间的辐射

2、换热与物体表面的几何形状、大小及相对位置物体表面的几何形状、大小及相对位置有有关，角系数是反映这些几何因素对辐射换热影响的重要参数。关，角系数是反映这些几何因素对辐射换热影响的重要参数。1. 1. 角系数的定义角系数的定义 两个任意位置的表面两个任意位置的表面1 1、2 , 2 , 从表面从表面1 1发出（自身发射与反射）发出（自身发射与反射）的总辐射能中直接投射到表面的总辐射能中直接投射到表面2 2上的辐射能占总辐射能的百分上的辐射能占总辐射能的百分数称为数称为表面表面1 1对表面对表面2 2的角系数，的角系数，用符号用符号 表示。表示。x1 2 ,12121,21221coscos1aax

3、dadaar ( (1) 1) 角系数的相对性角系数的相对性： 即任意两个表面之间的角系数不是独立的，而是受即任意两个表面之间的角系数不是独立的，而是受上述关系制约。上述关系制约。(2) (2) 角系数与温度无关，它完全取决于几何关系角系数与温度无关，它完全取决于几何关系。(3) (3) 角系数的完整性角系数的完整性：对于平面或凸面组成的封闭系统，：对于平面或凸面组成的封闭系统，根据能量守恒原理，从其中任何一个表面发射的辐射根据能量守恒原理，从其中任何一个表面发射的辐射能必全部落到其它表面上，因而其中任一表面对其余能必全部落到其它表面上，因而其中任一表面对其余各表面的角系数之间存在下列关系：各

4、表面的角系数之间存在下列关系：(4) 角系数的可加性角系数的可加性：1111131211 niinxxxxx角系数的三个特性：角系数的三个特性：a xa x11 222 1,xxxab1 211,利用角系数计算黑体间的辐射换热利用角系数计算黑体间的辐射换热 落在黑体表面上的能量被全部吸收，所落在黑体表面上的能量被全部吸收，所以任意两个黑体表面间的换热量为：以任意两个黑体表面间的换热量为：角系数角系数2122121112xaexaebb 11212 x22121 x角系数的计算方法：角系数的计算方法：(1) (1) 积分法积分法1122221112coscos1dadaraxaa (2) (2)

5、 代数法代数法根据角系数积分表达式通过积分运算求得角系数根据角系数积分表达式通过积分运算求得角系数 工程上为计算方便工程上为计算方便, 已将常见几何已将常见几何系统的角系数计算结果用公式或线算系统的角系数计算结果用公式或线算图的形式给出。图的形式给出。 黑体间的辐射换热及角系数黑体间的辐射换热及角系数平行的长方形表面平行的长方形表面间的角系数线算图间的角系数线算图 黑体间的辐射换热及角系数黑体间的辐射换热及角系数相互垂直的两长方形表相互垂直的两长方形表面间的角系数线算图面间的角系数线算图 黑体间的辐射换热及角系数黑体间的辐射换热及角系数平行的同心圆形表面平行的同心圆形表面间的角系数线算图间的角

6、系数线算图 角系数的计算方法角系数的计算方法2 2：代数法：代数法三个非凹表面组成的封闭辐射系统三个非凹表面组成的封闭辐射系统 1321122aaaax 利用角系数的定义及性质利用角系数的定义及性质, 通过代数运算确定角系数的方法。通过代数运算确定角系数的方法。 以三个表面的封闭系统为例说明如何利用代数法确定角系数。以三个表面的封闭系统为例说明如何利用代数法确定角系数。 根据角系数的完整性有：根据角系数的完整性有： a xa xa11 211 31,a xa xa22 122 32,a xa xa3313323,根据角系数的相对性有：根据角系数的相对性有： a xa x11 222 1,a x

7、a x11 3331,a xa x22 333 2,1321,312aaaxa2312,322aaaxa黑体间的辐射换热及角系数例题讲解：黑体间的辐射换热及角系数例题讲解：l 例例 试用代数法确定如图所示试用代数法确定如图所示的表面的表面a a1 1和和a a2 2之间的角系数，假之间的角系数，假定垂直于纸面方向上表面的长定垂直于纸面方向上表面的长度是无限延伸的。度是无限延伸的。 abbdacadbcxxcdab2)()(,12 答案答案例：p404 例9-1 自学9.2 两表面封闭系统的辐射换热两表面封闭系统的辐射换热 1. 两黑体表面组成的封闭系统的辐射换两黑体表面组成的封闭系统的辐射换热

8、热两个黑体表面构成的封闭空腔两个黑体表面构成的封闭空腔 “封闭腔模型封闭腔模型”两个黑体表面辐射换热量：两个黑体表面辐射换热量： 1 21221,2b1221b211efaexa,2b1b21121eexa,11,222,1a xa x2112b1b211,xaee空间辐射换热热阻空间辐射换热热阻 1、2两个封闭黑体表面之间的辐射换热可以用辐射网两个封闭黑体表面之间的辐射换热可以用辐射网络图来表示：络图来表示： 2112b1b211,xaee空间辐射换热热阻空间辐射换热热阻二个黑体表面构成封闭空腔的辐射换热网络二个黑体表面构成封闭空腔的辐射换热网络 2.两灰体表面间的辐射换热两灰体表面间的辐射

9、换热 单位时间内投射到单位面单位时间内投射到单位面积表面上的总辐射能被称积表面上的总辐射能被称为为投入辐射投入辐射，记为记为g g；单位时间内离开单位面积表单位时间内离开单位面积表面的总辐射能为该表面的面的总辐射能为该表面的有效辐射有效辐射，记为记为j j。漫射、灰体表面漫射、灰体表面(简称漫灰表面简称漫灰表面) 1）灰体表面的）灰体表面的吸收比小于吸收比小于1；2) 灰体表面向外发射的辐射能除了灰体表面向外发射的辐射能除了自身辐射自身辐射还包含还包含反射辐射反射辐射；两灰体表面间的辐射换热不同于黑体，比较复杂两灰体表面间的辐射换热不同于黑体，比较复杂：“有效辐射有效辐射”定义：定义：g)(e

10、gej1b根据有效辐射的定义有：根据有效辐射的定义有： 根据表面的辐射平衡根据表面的辐射平衡, 单位面积的单位面积的辐射换热量应该等于有效辐射与投辐射换热量应该等于有效辐射与投入辐射之差，即有：入辐射之差，即有：ajggeab漫灰表面漫灰表面ajejea11bb表面辐射热阻表面辐射热阻 两个漫灰表面构成的封闭空腔中的辐射换热计算：两个漫灰表面构成的封闭空腔中的辐射换热计算： 两个漫灰表面构成的封闭空腔两个漫灰表面构成的封闭空腔 两个漫灰表面两个漫灰表面1、2构成一个封闭腔构成一个封闭腔, 如图所示，并假设如图所示，并假设21tt 表面表面1净损失的热量为净损失的热量为:11111b11aje表

11、面表面2净获得的热量为净获得的热量为 :2222b221aej表面表面1、2之间净辐射换热量为之间净辐射换热量为:12112 1221 2,ax jax ja xjj11 212,21121211,xajj 1212 2222111112b1b12111axaaee,两个漫灰表面构成封闭空腔的辐射网络两个漫灰表面构成封闭空腔的辐射网络 12s11,2b1b2()a xee1111121 . 212, 1sxx称为系统黑度系统黑度 三个灰体间的辐射换热网络三个灰体间的辐射换热网络0111113131121211111 axjjaxjjajeb 0111223231122122222 axjjax

12、jjajeb 0111223231131333333 axjjaxjjajeb 节点节点1 1节点节点1 1节点节点3 39.4 9.4 气体辐射气体辐射l气体辐射的特点气体辐射的特点(1) (1) 气体的辐射和吸收能力与气体的分子结构气体的辐射和吸收能力与气体的分子结构有关有关(2) (2) 气体的辐射和吸收对波长有明显的选择性气体的辐射和吸收对波长有明显的选择性(3) (3) 固体及液体的辐射属于表面辐射固体及液体的辐射属于表面辐射, ,而气体而气体的辐射和吸收是在整个气体容积中进行的，属的辐射和吸收是在整个气体容积中进行的，属于体积辐射。于体积辐射。(4) (4) 气体的反射率为零气体的

13、反射率为零 气体辐射的特点气体辐射的特点1 1： 在工业上常见的温度范围内，单原子气体在工业上常见的温度范围内，单原子气体及空气、及空气、h2、o2、n2等结构对称的双原等结构对称的双原子气体，无发射和吸收辐射的能力可认为子气体，无发射和吸收辐射的能力可认为是透明体。是透明体。co2、h2o、so2、ch4和和co等气体都具等气体都具有辐射的本领。有辐射的本领。例：例：煤和天然气的燃烧产物中常有一定浓度的煤和天然气的燃烧产物中常有一定浓度的co2和和h2o。高炉煤气主要成分是。高炉煤气主要成分是co、 co2和和n2。 气体辐射的特点气体辐射的特点2 2：l 固体和液体的辐射和吸收光谱是连续的

14、，固体和液体的辐射和吸收光谱是连续的，而气体则是间断的。而气体则是间断的。l 气体只能辐射和吸收一定波长范围（称为气体只能辐射和吸收一定波长范围（称为光带）内的辐射能，在光带以外的波长既不能光带）内的辐射能，在光带以外的波长既不能辐射也不能吸收。辐射也不能吸收。l 不同的气体光带范围不同。不同的气体光带范围不同。l 对于光带以外的辐射射线，气体可以看作对于光带以外的辐射射线，气体可以看作是透明体。是透明体。例：大气中的臭氧层能保护人类免受紫外线的伤害大气中的臭氧层能保护人类免受紫外线的伤害 气体辐射的特点气体辐射的特点3:3:l热射线穿过气体层时，辐射能沿途被气体热射线穿过气体层时，辐射能沿途

15、被气体分子吸收而逐渐减弱。其减弱程度取决于分子吸收而逐渐减弱。其减弱程度取决于沿途碰到的气体分子数目，碰到的分子数沿途碰到的气体分子数目，碰到的分子数目越多，被吸收的辐射能也越多。因此气目越多，被吸收的辐射能也越多。因此气体的吸收能力体的吸收能力g g与热射线经历的行程长与热射线经历的行程长度度l l，气体分压力，气体分压力p p和气体温度和气体温度t tg g等因素有等因素有关。关。气体的发射率与吸收率气体的发射率与吸收率 bggee 气体发射率气体发射率: 气体发射率主要取决于气体发射率主要取决于气体的种类、气体温度和辐射行程气体的种类、气体温度和辐射行程中的气体分子数目中的气体分子数目。

16、辐射行程中的气体分子数则与气体分压力。辐射行程中的气体分子数则与气体分压力p和射程和射程l有关，即与有关，即与pl乘积成正比乘积成正比。实际计算中，气体的发实际计算中，气体的发射率根据实验图表确定。射率根据实验图表确定。 气体的吸收率气体的吸收率:气体的吸收率与气体的吸收率与气体温度以及器壁温度气体温度以及器壁温度都有关，所以不能看做都有关，所以不能看做灰体。气体温度和器壁温度相同时，气体的吸收率与它的发射灰体。气体温度和器壁温度相同时，气体的吸收率与它的发射率相等。如果气体温度不等于器壁温度，则气体的吸收率就不率相等。如果气体温度不等于器壁温度，则气体的吸收率就不等于它的发射率。等于它的发射

17、率。9.5 辐射传热的控制（强化与削弱）辐射传热的控制（强化与削弱）在现代隔热保温技术中，遮热板的应用在现代隔热保温技术中，遮热板的应用比较广泛。例如：比较广泛。例如： 炼钢工人的遮热面罩、炼钢工人的遮热面罩、 航天器的多层真空舱壁、航天器的多层真空舱壁、 低温技术中的多层隔热容器低温技术中的多层隔热容器 测温技术中测温元件的辐射屏蔽等测温技术中测温元件的辐射屏蔽等，遮热板的主要作用遮热板的主要作用就是就是削弱辐射换热削弱辐射换热。 遮热板的应用遮热板的应用:遮热板削弱辐射传热的原理遮热板削弱辐射传热的原理以以“两块靠得很近的大平壁间的辐射换热两块靠得很近的大平壁间的辐射换热”为例来说明为例来说明当没有遮热板时，两块平壁间的辐射换热量当没有遮热板时，两块平壁间的辐射换热量： 4412b1b21212()11211atta eeq