可以輻射和吸收熱射線的波長范圍

1、第九章 輻射換熱計算 主要內(nèi)容：漫射灰表面間的輻射換熱計 算；輻射熱阻及輻射換熱熱阻網(wǎng)絡(luò)圖； 氣體輻射與輻射換熱；火焰輻射；太陽 輻射。 第一節(jié) 黑表面間的輻射換熱 2 A 2 dA 2 n ? 1 A 1 dA 1 n ? 1 ? 2 ? r 1. 兩表面間的輻射換熱 1). 輻射換熱量的計算： 微元面之間 2 2121 1 2 22 11121 r dAdAcoscos E r cosdA cosdAIdQ b b ? ? ? ? ? ? ? 2 2121 212 coscos r dAdA EdQ b ? ? ? ? ? 2 2121 2112 coscos r dAdA EEdQ bb

2、 ? ? ? 總熱交換量 ? 21 2 21 21 2121 12 12 dAdA r coscos EE dQQ A A bb A A , ? ? ? ? ? ? 2). 角系數(shù)：輻射能投射百分數(shù)即某表面發(fā)射輻射能中達到另 一表面的百分數(shù)。 微元面之間的角系數(shù) 2 221 11 21 , coscos 21 r dA dAE dQ b dAdA ? ? ? ? 2 121 , coscos 12 r dA dAdA ? ? ? 2,1, 1221 dAdA dAdAdAdA ? 互換性關(guān)系 兩表面之間的角系數(shù) 12 2 21 1 11 21 21 12 21 1 dAdA r coscos

3、A AE dQ A A b A,A , ? ? ? ? ? ? ? ? 12 2 21 2 1 , 2 12 coscos1 dAdA rA A A ? ? ? ? ? 212121 AA , ? 互換性關(guān)系 思考：試根據(jù)角系數(shù)的定義確定如下圖形的角系數(shù)：試根據(jù)角系數(shù)的定義確定如下圖形的角系數(shù) 表面2 表面1 表面2 表面1 角系數(shù)值取決于表面的形狀、大小和相對位置 3). 輻射空間熱阻輻射空間熱阻 由角系數(shù)的定義可得，兩黑表面間的輻射換熱計算式為：由角系數(shù)的定義可得，兩黑表面間的輻射換熱計算式為： ? 12 , 1212 , 1 AEEQ bb ? 12 , 1 21 2 , 1 1 A E

4、E Q bb ? ? ? 輻射換熱熱組網(wǎng)絡(luò)單元圖輻射換熱熱組網(wǎng)絡(luò)單元圖 1b E 2b E 12 Q 121 1 A , ? 輻射換熱空間熱阻輻射換熱空間熱阻 2. 封閉空腔內(nèi)的輻射換熱封閉空腔內(nèi)的輻射換熱 ?換熱量計算換熱量計算 目的目的: 獲得到任意表面與其他各表面間的總換熱量獲得到任意表面與其他各表面間的總換熱量即任即任 意表面的凈失熱量。意表面的凈失熱量。 ?角系數(shù)的完整性 1 i j n in Q ij Q i Q 2 ? i n j j , ibj n j j , ibi n j ij , ibjbi n j iji AEE AEE QQ ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

5、 ? ? ? ? ? ? 11 1 1 ? ? 任一表面對封閉空腔其他表面輻射角系數(shù)之和為1，即 1 1 , ? ? ? n j ji ? 散熱量計算表達式簡化為 i n j jibjbii AEEQ ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?1 , ? ?輻射換熱網(wǎng)絡(luò)法 輻射換熱計算中，借助輻射換熱網(wǎng)絡(luò)圖，可獲得清晰的分析求 解思路。下面通過算例介紹輻射換熱網(wǎng)絡(luò)法的原理與應(yīng)用。 算例：條件如圖，計算輻射換熱量 C?200 1 黑體表面 C40 2 ? 黑體表面 絕熱，重輻射面 ，半球形表面 3 m r 1 ? 1 b E 2 b E 113 1 A? 223 1 A? 0 12 ?Q 1 Q

6、 2 Q? 0 3 ?Q 3 b E 解：畫輻射換熱網(wǎng)絡(luò)圖如圖 a). 3 表面絕熱， =0 ，的大小類似于電路中浮點電位的大 小，說明3表面的溫度由熱平衡確定。 分析： 3 Q 3b E 1 2313 ? b). 1 、2表面相互不可見，角系數(shù)為零，無直接輻射熱交換。 c). 簡化后為一簡單串聯(lián)輻射換熱網(wǎng)絡(luò)圖。 W AA EE Q bb 1800 11 332113 21 12 ? ? ? ? ? 計算： d). 第二節(jié) 灰表面間的輻射換熱 1. 有效輻射 J b E? G G? G? 定義：表面本身輻射和反射輻射 之和為有效輻射J ?GEGEJ bb ? 1 輻射換熱表面熱阻 GEGJ A

7、 Q b ? ? ? ? ? ? 1 b EJ G ?A/ JE Q b ? ? ? ? ? 1?A JE Q b ? / 1? ? ? ? b EJ Q A? ?1 虛擬表面黑體實際表面 表面熱阻 2. 兩表面間的輻射換熱 ?任意位置 1 J 2 J 12 Q 112 1 A? 若已知有效輻射，可按兩黑 體表面之間的輻射換熱量計算 公式計算兩虛擬表面之間的輻 射換熱為 ? 112 21 2111212 1 A JJ JJAQ ? ? ? ? 11J A 111 JA? 22 JA 222 JA? ?組成封閉空腔組成封閉空腔 封閉空腔的兩表面有如圖所示等若干種形式，均可用共同的封閉空腔的兩表面

8、有如圖所示等若干種形式，均可用共同的 輻射換熱網(wǎng)絡(luò)圖表示輻射換熱網(wǎng)絡(luò)圖表示 1b E 2 b E 11 1 1 A? ? 22 2 1 A? ? 112 1 A? 12 Q 2 1 2 1 2 1 換熱量計算為換熱量計算為 1 11 21 21 2 , 1 ? ? ? ? bb EE AQ 推論一：兩無限大平行灰平壁的輻射換熱推論一：兩無限大平行灰平壁的輻射換熱 ? 211121bb, EEAQ? 推論二：大空腔與內(nèi)包壁之間的輻射換熱推論二：大空腔與內(nèi)包壁之間的輻射換熱 22 2 12, 111 1 21 2, 1 111 AAA EE Q bb ? ? ? ? ? ? ? ? 3. 多表面封

9、閉空腔內(nèi)的輻射換熱 2 1 3 以三個表面為例，已知、幾何參數(shù)及第一類邊界條件 2 b E 113 1 A? 223 1 A? 1 b E 1 Q 2 Q 3 Q 3 b E 113 1 A? 11 1 1 A? ? 22 2 1 A? ? 33 3 1 A? ? 1 J 3 J 2 J 繪制網(wǎng)絡(luò)圖。據(jù)已知條件，可求各表面熱阻、空間熱阻及表 面熱勢 列節(jié)點能量守恒關(guān)系式求有效熱勢列節(jié)點能量守恒關(guān)系式求有效熱勢 ? ? ? 表面間輻射換熱量表面凈輻射換熱量 212 21 113 31 11 1 11 1 1 1 A JJ A JJ A JE b ? ? ? ? ? ? ? ? 223 32 11

10、2 12 22 2 22 1 1 1 A JJ A JJ A JEb ? ? ? ? ? ? ? ? 223 23 113 13 33 3 33 1 1 1 A JJ A JJ A JE b ? ? ? ? ? ? ? ? 即三個未知數(shù)、三個節(jié)點方程式，解節(jié)點方程組可求出 進一步可求出表面凈輻射換熱量 31 J J 4. 遮熱板遮熱板 以平行平板之間的 輻射換熱為例，兩表面 直接輻射時 1 1 ? T 2 2 ? T 3 3 ? T 1 1 ? T 2 2 ? T 12 q 123213 qqq? 1 11 21 21 12 ? ? ? ? bb EE q 加入遮熱板后 ? ? ? ? ? ?

11、 ? ? ? ? ? ? ? ? ? 1 11 1 11 2331 21 12 ? bb EE q 熱阻換熱量 遮熱板數(shù)量換熱量 表面黑度 換熱量 分析： 第三節(jié) 角系數(shù)的確定方法 1. 積分法確定角系數(shù) 12 2 21 1 2, 1 12 coscos1 dAdA rA A A ? ? ? ? ? X Y Y X D D D Y/ D X/ 12 ? 常將典型的數(shù)值積分結(jié)果制 成線圖，如右圖。詳見教科 書p232-234 2. 代數(shù)法確定角系數(shù) 角系數(shù)的三個特性： ni n j ij 11 1 ? ? ? ， ?（前面已學習）完整性 221112 AA? （前面已學習）互換性 角系數(shù)分解性原

12、理 431 AAA? 3 A 4 A 32 ? 42 ? 2 A ? ?a 432 AAA? 1 A 3 A 4 A 13 ? 14 ? ? ?b 兩種典型情況：分解發(fā)射面和分解投射面。簡單示例如圖 ? 11413112 AA? 情況(b)：分解投射面 442332112 AAA? 情況(a)：分解發(fā)射面 141312 ? 代數(shù)法確定角系數(shù)舉例 1 2 3 例一：三表面組成的分閉空腔，用代數(shù)法計算角系數(shù)的值。 332223 AA? 331113 AA? 221112 AA? 互換性 1 3231 ? 1 2321 ? 1 1312 ? 完整性 六個未知數(shù)，六個方程，可求解得： 1 321 12

13、 2A AAA? ? 1 231 13 2A AAA? ? 2 432 23 2A AAA? ? 例二：與線圖相結(jié)合，計算如圖所示的 1、2表面間的角系數(shù) 1 2 3 4 解：依據(jù)分解性原理求解如下 1 2 3 4 1 2 34 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 4 3 1 2 3 4 對應(yīng)的計算公式為： ?33231231112 AAA , ? ? ? ? ? ? ? 334342331431314231 AAAA , ? ? 第四節(jié) 氣 體 輻 射 1. 氣體輻射的特點 a). 選擇性：氣體只能輻射和吸收某些波長范圍內(nèi)的熱射線的 特性。 光帶：可以輻射和吸收熱射線的波

14、長范圍； 書中表9-1列出了二氧化碳、水蒸汽等的輻射和吸收光帶； 氧、氮、氫等對稱形雙原子氣體被認為 幾乎是透明體。 s in I out I b). 容積特性：氣體的輻射和吸收在整個氣 體容積中進行。熱射線穿透氣體層時沿途 逐步被吸收，整個氣體容積內(nèi)任何一點都 在向外發(fā)射熱射線。 2. 氣體發(fā)射率和吸收率的計算氣體發(fā)射率和吸收率的計算 a). 單色吸收率：波長、氣體溫度、氣體分壓力與穿透氣體層 厚度(射線行程)的函數(shù) ? ? , , , , spTf gg ? 四個獨立自變量 溫度越高吸收率越??；分壓力與射線行程越大吸收率越 大。實際計算中常整理為 ? ? , , , spTf gg ? 三

15、個獨立自變量 c). 氣體的發(fā)射率，即全波長范圍內(nèi)的發(fā)射率 ?spTdTEspTf EE dE ggbg bb bg g , , 1 0 0 , ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 兩個 獨立自 變量 b). 單色發(fā)射率：由基爾霍夫定律 ? ? , , , spTf ggg ? 三個獨立自變量 氣體的發(fā)射率計算線圖。氣體的發(fā)射率計算線圖。 ， * OH2 ? T sp g * CO 2 ? 或或 ?如總壓為一個大氣壓時，二氧化碳如總壓為一個大氣壓時，二氧化碳 和水蒸汽單獨存在于透明性氣體中的和水蒸汽單獨存在于透明性氣體中的 發(fā)射率可查書中發(fā)射率可查書中圖圖9-27，9-28求值。求值。 圖

16、圖9-27 ，9-28 示意圖示意圖 * 222 COCOCO C? * 222 OHOHOH C? 修正系數(shù)修正系數(shù) C 由 由圖圖9-29，9-30確定。確定。 ?總壓不等于一個大氣壓時修正如下總壓不等于一個大氣壓時修正如下 ? OHCOg 22 ?查圖查圖9-31確定光帶重疊修正量確定光帶重疊修正量 ?由于二氧化碳和水蒸汽的輻射光帶有部分重疊，總的吸由于二氧化碳和水蒸汽的輻射光帶有部分重疊，總的吸 收率不能簡單相加，需減去一個修正量如下收率不能簡單相加，需減去一個修正量如下 受、和的影響。近似計算方法推薦為 g ?T w Tsp g d). 氣體的吸收率氣體的吸收率 ? ? d,TG,

17、sp,Tf G wg 1 0 ? ? ? ? OHCOg 22 gg,? ? 65. 0 , * 2 222 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? w g T T spT COCOCO T T C g w COw ? 45. 0 , * 2 222 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? w g T T spT OHOHOH T T C g w OHw ? ? w T ? G dG g , g ? ? ? ? ? 0 ?spT,T gwg , ? 3. 氣體與外殼間的輻射換熱 射線平均行程：實際外殼與氣體輻射換熱計算中，不同位置不 同方

18、向熱射線穿透氣體層的厚度不相同，應(yīng)采用平均厚度，稱 之為射線平均行程。按如下推薦公式計算或按表9-2取值 A V s 4 9 . 0? 4 wbwg T? 4 wbw T? 4 wbgw T? ?黑體外殼 4 gbg T? 單位面積內(nèi)，外殼吸收氣體輻射能 ? 44 wgggb TTq?單位面積換熱量 4 wbg T? 單位面積內(nèi)，氣體吸收外殼輻射能 ?灰體外殼 ww ? 4 wbwg T? 外殼發(fā)射輻射能第一次被氣體吸收的部分 4 wbgw T? 氣體發(fā)射輻射能第一次被外殼吸收的部分 ? 44 wgggbw TTq? 計第一次投射與吸收的換熱量 ? 44 2 1 wgggb w TTq? ? ? ? ? 計及多次投射與吸收的影響 4 wbwg T? 4 wbw T? 4 wbgw T? 4. 火焰輻射分類 不發(fā)光火焰：藍色火焰，火焰中沒有固體顆粒，屬氣體輻射； 半發(fā)光火焰：氣體輻射+固體顆粒輻射； 發(fā)光火焰：碳黑粒子的輻射為主。 第五節(jié) 太 陽 輻 射 c S ? 太陽射線 大氣層 太陽常數(shù)：當?shù)厍蛭挥诤吞柕?