傳熱學(xué)輻射換熱的計(jì)算實(shí)用教案

1、下面介紹角系數(shù)的概念及表達(dá)式。(1) 角系數(shù)：有兩個(gè)表面，編號為1和2，其間(qjin)充滿透明介質(zhì)，則表面1對表面2的角系數(shù)X1,2是：表面1直接投射到表面2上的能量，占表面1輻射能量的百分比。即(2)有效輻射：單位時(shí)間內(nèi)離開單位面積有效輻射：單位時(shí)間內(nèi)離開單位面積(min j)的總輻射能為該表面的有效輻的總輻射能為該表面的有效輻射，參見圖射，參見圖8-1 。包括了自身的發(fā)射輻。包括了自身的發(fā)射輻射射E和反射輻射和反射輻射G。G為投射輻射。為投射輻射。圖8-1 有效(yuxio)輻射示意圖 的有效輻射表面的投入輻射對表面表面1212, 1X同理，也可以定義表面2對表面1的角系數(shù)。從這個(gè)概念我

2、們可以得出角系數(shù)的應(yīng)用是有一定限制條件的，即漫射面、等溫、物性均勻(8-1)11/29/2021 - 1 -第第8 8章章 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算8-1 角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計(jì)算第1頁/共52頁第一頁，共53頁。(2) 微元面對微元面的角系數(shù) 如圖8-2所示，黑體(hit)微元面dA1對微元面dA2的角系數(shù) 記為Xd1,d2，則根據(jù)前面的定義式有22121b11112, 1coscosddEddcosrAAALXbdd類似(li s)地有22111, 2coscosdrAXdd(3) 微元面對面的角系數(shù) 由角系數(shù)的定義可知(k zh)，微元面dA1對面A2的角系數(shù)為圖8-2 兩微元面間的

3、輻射(8-2b)11/29/2021 - 2 -第第8 8章章 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算8-1 角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計(jì)算第2頁/共52頁第二頁，共53頁。2222, 112, 112, 12, 1AddAddddAdddXX11,21 ,2AdddXX(4) (4) 面對面(dumin)(dumin)的角系數(shù) 面A1A1對面(dumin)A2(dumin)A2的角系數(shù)X1,2X1,2以及面A2A2對面(dumin)A1(dumin)A1的角系數(shù)X2,1X2,1分別為 121212, 112212112 , 1d1ddcoscos1AAddAAAXArAAAX微元面dA2dA2對面(dumi

4、n)A1(dumin)A1的角系數(shù)則為 121221, 222212121 , 2d1ddcoscos1AAddAAAXArAAAX(8-3a)(8-3b)(8-4a)(8-4b)11/29/2021 - 3 -第第8 8章章 輻射輻射(fsh)(fsh)換熱的計(jì)算換熱的計(jì)算8-1 8-1 角系數(shù)的角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計(jì)算定義、性質(zhì)及計(jì)算第3頁/共52頁第三頁，共53頁。12, 111222112b111221b11b1111b112, 112, 12, 1dA1dAdcoscos1dAcosdcosdAdAdcos121212112112 AAddAAAAAAAAdAAddXArAArLAA

5、LLLX11/29/2021 - 4 -第第8 8章章 輻射輻射(fsh)(fsh)換熱的計(jì)算換熱的計(jì)算8-1 8-1 角系數(shù)的角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計(jì)算定義、性質(zhì)及計(jì)算第4頁/共52頁第四頁，共53頁。2. 2. 角系數(shù)(xsh)(xsh)性質(zhì)根據(jù)角系數(shù)(xsh)(xsh)的定義和諸解析式，可導(dǎo)出角系數(shù)(xsh)(xsh)的代數(shù)性質(zhì)。(1) (1) 相對性 由式(8-2a)(8-2a)和(8-2b)(8-2b)可以看出1,222, 11ddddddXAXA22111,2coscosdrAXdd22121b11112, 1coscosddEddcosrAAALXbdd11/29/2021 - 5

6、 -第第8 8章章 輻射輻射(fsh)(fsh)換熱的計(jì)算換熱的計(jì)算8-1 8-1 角系數(shù)的定義、角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計(jì)算性質(zhì)及計(jì)算第5頁/共52頁第五頁，共53頁。 由式(8-4a)和(8-4b)也可以(ky)看出1 ,222, 11XAXA 以上(yshng)性質(zhì)被稱為角系數(shù)的相對性。 121212, 112212112, 1d1ddcoscos1AAddAAAXArAAAX 121221, 222212121 , 2d1ddcoscos1AAddAAAXArAAAX11/29/2021 - 6 -第第8 8章章 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算8-1 8-1 角系數(shù)的定義角系數(shù)的定義(dng

7、y)(dngy)、性質(zhì)及計(jì)算、性質(zhì)及計(jì)算第6頁/共52頁第六頁，共53頁。niinXXXXX1, 1, 13 , 12, 11 , 11上式稱為角系數(shù)(xsh)的完整性。若表面1為非凹表面時(shí)，X1,1 = 0。niiXX12,12,1值得注意的是，上圖中的表面(biomin)2(biomin)2對表面(biomin)1(biomin)1的角系數(shù)不存在上述的可加性。圖8-3 角系數(shù)的完整性(2) (2) 完整性 對于有n n個(gè)表面(biomin)(biomin)組成的封閉系統(tǒng)，見圖8-38-3所示， 據(jù)能量守恒可得: :(3) (3) 可加性 如圖8-48-4所示，表面2 2可分為2a2a和2b

8、2b兩個(gè)面，當(dāng)然也可以分為n n個(gè)面， 則角系數(shù)的可加性為11/29/2021 - 7 -第第8 8章章 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算8-1 角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計(jì)算第7頁/共52頁第七頁，共53頁。BABbAbbBAXXXXEAXEAXEA2, 12, 12, 12, 1112, 1112, 1112, 12, 12, 11 ,2221 ,2222, 11 ,2221 ,2221 , 2221 ,21 ,21 , 2BBAABbBAbAbBAXAAXAAXXEAXEAXEA再來看一下(yxi)2 對 1 的能量守恒情況:圖8-4 角系數(shù)的可加性11/29/2021 - 8 -第第8 8章章

9、輻射輻射(fsh)(fsh)換熱的計(jì)算換熱的計(jì)算8-1 8-1 角系數(shù)角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計(jì)算的定義、性質(zhì)及計(jì)算第8頁/共52頁第八頁，共53頁。3 角系數(shù)的計(jì)算方法 求解角系數(shù)的方法通常有直接積分法、代數(shù)分析法、幾何分析法以及Monte-Carlo法。直接積分法的結(jié)果見公式(8-2)(8-4)。下面只給出代數(shù)分析法。 代數(shù)分析法是利用角系數(shù)的各種( zhn)性質(zhì)，獲得一組代數(shù)方程，通過求解獲得角系數(shù)。值得注意的是，(1)利用該方法的前提是系統(tǒng)一定是封閉的，如果不封閉可以做假想面，令其封閉；(2)凹面的數(shù)量必須與不可見表面數(shù)相等。下面以三個(gè)非凹表面組成的封閉系統(tǒng)為例，如圖8-5所示，面積分別為

10、A1，A2和A3 ，則根據(jù)角系數(shù)的相對性和完整性得:11/29/2021 - 9 -第第8 8章章 輻射輻射(fsh)(fsh)換熱的計(jì)算換熱的計(jì)算8-1 8-1 角系數(shù)角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計(jì)算的定義、性質(zhì)及計(jì)算第9頁/共52頁第九頁，共53頁。2,333,222,31 ,31 ,333, 113,21 ,21 ,222, 113, 12, 1111XAXAXXXAXAXXXAXAXX通過求解這個(gè)(zh ge)(zh ge)封閉的方程組，可得所有角系數(shù)，如X1,2X1,2為: :圖8-5 8-5 三個(gè)非凹表面(biomin)(biomin) 組成的封閉系統(tǒng)13212, 12AAAAX11/29

11、/2021 - 10 -第第8 8章章 輻射輻射(fsh)(fsh)換熱的計(jì)算換熱的計(jì)算8-1 8-1 角系數(shù)的定義、角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計(jì)算性質(zhì)及計(jì)算第10頁/共52頁第十頁，共53頁。若系統(tǒng)橫截面上三個(gè)表面的長度(chngd)(chngd)分別為l1l1，l2l2和l3l3，則上式可寫為13212, 12llllX下面考察兩個(gè)表面的情況，假想面如圖8-68-6所示，根據(jù)(gnj)(gnj)完整性和上面的公式，有: :圖8-6 兩個(gè)(lin )非凹表面及 假想面組成的封閉系統(tǒng)11/29/2021 - 11 -第第8 8章章 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算8-1 角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計(jì)算第11頁

12、/共52頁第十一頁，共53頁。abadbdabXabbcacabXXXXbdabacabbdabacabcdab221,解方程組得:的斷面長度表面不交叉線之和交叉線之和1,22)()(AabbdacadbcXcdab該方法又被稱為(chn wi)交叉線法。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，或者說是輔助線11/29/2021 - 12 -第第8 8章章 輻射輻射(fsh)(fsh)換熱的計(jì)算換熱的計(jì)算8-1 8-1 角系數(shù)的定角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計(jì)算義、性質(zhì)及計(jì)算第12頁/共52頁第十二頁，共53頁。8-2 被透明介質(zhì)隔開的兩固體(gt)表面間的輻射換熱本節(jié)將給出兩個(gè)穩(wěn)態(tài)輻射

13、換熱的例子，即分別由等溫的兩黑體或等溫的兩漫灰體組成的封閉系統(tǒng)內(nèi)的表面間輻射換熱。封閉系統(tǒng)內(nèi)充滿不吸收任何輻射的透明介質(zhì)(jizh)。所采用的方法稱為“凈熱量”法。的部分的部分到達(dá)表面到達(dá)表面的熱輻射的熱輻射發(fā)出表面發(fā)出表面1221)(212, 111 ,2222, 1112, 1bbbbEEXAXEAXEA圖8-7 黑體系統(tǒng)(xtng)的輻射換熱1黑體表面黑體表面 如圖如圖8-7所示，黑表面所示，黑表面1和和2之間的輻射換熱量為之間的輻射換熱量為11/29/2021 - 13 -第第8 8章章 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算8-2 透明介質(zhì)隔開兩表面輻射第13頁/共52頁第十三頁，共53頁。2

14、 2 漫灰表面 灰體間的多次反射(fnsh)(fnsh)給輻射換熱的計(jì)算帶來麻煩，此時(shí)需要采用前面講過的投入輻射G G和有效輻射J J的概念。下面在假設(shè)表面物性和溫度已知的情況下，考察J J與表面凈輻射換熱量之間的關(guān)系，為計(jì)算漫灰表面間的輻射換熱作準(zhǔn)備。如圖8-18-1所示，對表面1 1來講，凈輻射換熱量q q為111111111GEGEGJqb消去上式中的G G1 1，并考慮到 ，可得11qEJb)11(111qEJb)11(即：11/29/2021 - 14 -第第8 8章章 輻射輻射(fsh)(fsh)換熱的計(jì)算換熱的計(jì)算8-2 8-2 透明介質(zhì)隔開透明介質(zhì)隔開兩表面輻射兩表面輻射(fs

15、h)(fsh)第14頁/共52頁第十四頁，共53頁。下面來分析兩個(gè)(lin )(lin )等溫漫灰表面封閉系統(tǒng)內(nèi)的輻射換熱情況。如圖8-88-8所示，兩個(gè)(lin )(lin )表面的凈換熱量為的部分面的部分面效輻射到達(dá)表效輻射到達(dá)表發(fā)出的有表面發(fā)出的有表面12211 ,2222, 1112, 1XJAXJA根據(jù)(gnj)下式及能量守恒有1 , 22 , 11 , 2222222 , 1111111111bbEAAJEAAJ(d)qEJb)11(11/29/2021 - 15 -第第8 8章章 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算(j sun)(j sun)8-2 8-2 透明介質(zhì)透明介質(zhì)隔開兩表面輻

16、射隔開兩表面輻射第15頁/共52頁第十五頁，共53頁。于是(ysh)有2222,11111212,1111AXAAEEbb圖8-8 兩個(gè)物體組成(z chn)的輻射換熱系統(tǒng)11111)(2212, 112112, 1AAXEEAbb11/29/2021 - 16 -第第8 8章章 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算(j sun)(j sun)8-2 8-2 透明介質(zhì)隔透明介質(zhì)隔開兩表面輻射開兩表面輻射第16頁/共52頁第十六頁，共53頁。定義系統(tǒng)黑度(hi d)(hi d)(或稱為系統(tǒng)發(fā)射率) )11111121 ,212,1XXs11111)(2212, 112112, 1AAXEEAbb)(21

17、2, 112, 1bbsEEXA)(212,112,1bbEEXA與黑體輻射換熱比較，上式多了一個(gè) ，它是考慮(kol)由于灰體系統(tǒng)多次吸收與反射對換熱量影響的因子。s11/29/2021 - 17 -第第8 8章章 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算8-2 8-2 透明介質(zhì)透明介質(zhì)(jizh)(jizh)隔開兩表面輻射隔開兩表面輻射第17頁/共52頁第十七頁，共53頁。三種(sn zhn)特殊情形(1) (1) 表面1 1為凸面或平面(pngmin)(pngmin)，此時(shí)，X1,2X1,21 1，于是1111112212, 112, 1AAXXs11112211AAs(2) (2) 表面積A1A1

18、比表面積A2A2小得多，即A1/A2 A1/A2 0 0 于是(ysh)(ysh)1s(3)(3) 表面積A A1 1與表面積A A2 2相當(dāng)，即A A1 1/A/A2 2 1 1 于是111121s11/29/2021 - 18 -第第8 8章章 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算8-2 透明介質(zhì)隔開兩表面輻射第18頁/共52頁第十八頁，共53頁。 8-3 多表面系統(tǒng)輻射(fsh)換熱的計(jì)算 凈熱量法雖然也可以用于多表面情況，當(dāng)相比之下網(wǎng)絡(luò)法更簡明、直觀。網(wǎng)絡(luò)法(又稱熱網(wǎng)絡(luò)法，電網(wǎng)絡(luò)法等)的原理(yunl)，是用電學(xué)中的電流、電位差和電阻比擬熱輻射中的熱流、熱勢差與熱阻，用電路來比擬輻射熱流的傳遞

19、路徑。但需要注意的是，這兩種方法都離不開角系數(shù)的計(jì)算，所以，必須滿足漫灰面、等溫、物性均勻以及投射輻射均勻的四個(gè)條件。下面從介紹相關(guān)概念入手，逐步展開。11/29/2021 - 19 -第第8 8章章 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算8-3 8-3 多表面多表面(biomin)(biomin)系統(tǒng)輻射換熱的計(jì)算系統(tǒng)輻射換熱的計(jì)算第19頁/共52頁第十九頁，共53頁。(1) 熱勢差與熱阻上節(jié)公式(8-12)(8-12)：改寫為：式中， 稱為表面熱勢差； 則被稱為表面輻射熱阻。AJEorJEqbb11JEbAor11qEJb) 11(111111111GEGEqGJqb外部(wib)：內(nèi)部：11/29

20、/2021 - 20 -第第8 8章章 輻射輻射(fsh)(fsh)換熱的計(jì)算換熱的計(jì)算8-3 8-3 多表面多表面系統(tǒng)輻射系統(tǒng)輻射(fsh)(fsh)換熱的計(jì)算換熱的計(jì)算第20頁/共52頁第二十頁，共53頁。圖8-9 8-9 表面輻射熱阻bEA11J表面輻射(fsh)(fsh)熱阻見圖8-98-9所示，可見，每一個(gè)表面都有一個(gè)表面輻射(fsh)(fsh)熱阻。對于黑表面， 1 1 Rr Rr 0 0 即，黑體的表面熱阻等于零。又根據(jù)上節(jié)中的公式(d)1 ,2222, 1112, 1XJAXJA以及(yj)角系數(shù)相對性？1 , 222, 11XAXA11/29/2021 - 21 -第第8 8

21、章章 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算(j sun)(j sun)8-3 8-3 多表多表面系統(tǒng)輻射換熱的計(jì)算面系統(tǒng)輻射換熱的計(jì)算(j sun)(j sun)第21頁/共52頁第二十一頁，共53頁。式中， 是空間熱勢差， 則是空間輻射(fsh)(fsh)熱阻，如圖8-108-10所示，可見，每一對表面就有一個(gè)空間輻射(fsh)(fsh)熱阻。2, 1121212, 112, 11)(XAJJJJXA21JJ 2,111XA圖8-10 空間輻射熱阻1J2, 111XA2J11/29/2021 - 22 -第第8 8章章 輻射輻射(fsh)(fsh)換熱的計(jì)算換熱的計(jì)算8-3 8-3 多表面系統(tǒng)多表面

22、系統(tǒng)輻射輻射(fsh)(fsh)換熱的計(jì)算換熱的計(jì)算第22頁/共52頁第二十二頁，共53頁。(2) 網(wǎng)絡(luò)法的應(yīng)用舉例 首先來看前面講過的兩漫灰表面組成的封閉系統(tǒng)，參見圖8-8，其等效網(wǎng)絡(luò)圖見8-11所示，根據(jù)(gnj)電路中的基爾霍夫定律流入節(jié)電的電流總和等于零，列出個(gè)個(gè)節(jié)點(diǎn)的熱流方程，組成有效輻射的聯(lián)立方程組，見左式圖8-11 兩表面封閉系統(tǒng)輻射換熱等效網(wǎng)絡(luò)圖1bE2, 11111A2J1J2bE2221A2, 12, 11XA011:011:2, 11212222222, 1112111111XAJJAJEJXAJJAJEJbb11/29/2021 - 23 -第第8 8章章 輻射輻射(f

23、sh)(fsh)換熱的計(jì)算換熱的計(jì)算8-3 8-3 多表面多表面系統(tǒng)輻射系統(tǒng)輻射(fsh)(fsh)換熱的計(jì)算換熱的計(jì)算第23頁/共52頁第二十三頁，共53頁。求解上面(shng min)(shng min)方程組獲得 or or ，根據(jù)： 計(jì)算凈輻射熱流，其中i i 代表表面1 1或表面2 2。1JiiiibiiAJE1在上面(shng min)(shng min)的過程中需要注意的是(1)(1)節(jié)點(diǎn)的概念；(2)(2)每個(gè)表面一個(gè)表面熱阻，每對表面一個(gè)空間熱阻；(3)(3)以及畫電路圖的一些基本知識。下面再來看一下三個(gè)表面的情況，見圖8-128-12。與兩個(gè)表面相似，首先需要畫出等效網(wǎng)絡(luò)，

24、見圖8-138-13所示，然后，列出各節(jié)點(diǎn)的電流方程。11/29/2021 - 24 -第第8 8章章 輻射輻射(fsh)(fsh)換熱的計(jì)算換熱的計(jì)算8-3 8-3 多表面系統(tǒng)多表面系統(tǒng)輻射輻射(fsh)(fsh)換熱的計(jì)算換熱的計(jì)算2J第24頁/共52頁第二十四頁，共53頁。8-12 8-12 由三個(gè)表面(biomin)(biomin)組成的 封閉系統(tǒng)8-13 8-13 三表面(biomin)(biomin)封閉腔的 等效網(wǎng)絡(luò)圖11/29/2021 - 25 -第第8 8章章 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算(j sun)(j sun)8-3 8-3 多表面系統(tǒng)多表面系統(tǒng)輻射換熱的計(jì)算輻射換熱

25、的計(jì)算(j sun)(j sun)第25頁/共52頁第二十五頁，共53頁。節(jié)點(diǎn)(ji din) (ji din) 的熱流方程如下：321,JandJJ求解上面(shng min)的方程組，再計(jì)算凈換熱量。11/29/2021 - 26 -第第8 8章章 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算(j sun)(j sun)8-3 8-3 多表面系多表面系統(tǒng)輻射換熱的計(jì)算統(tǒng)輻射換熱的計(jì)算(j sun)(j sun)第26頁/共52頁第二十六頁，共53頁。A A 畫等效電路圖；畫等效電路圖；B B 列出各節(jié)點(diǎn)的熱流列出各節(jié)點(diǎn)的熱流(rli)(rli)(電流電流) )方程組；方程組；C C 求解方程組，以獲得各個(gè)

26、節(jié)點(diǎn)的等效輻射；求解方程組，以獲得各個(gè)節(jié)點(diǎn)的等效輻射；D D 利用公式利用公式 計(jì)算每個(gè)表面的凈輻計(jì)算每個(gè)表面的凈輻 射熱流射熱流(rli)(rli)量。量。iiiibiiAJE1總結(jié)上面過程，可以(ky)得到應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)法的基本步驟如下：11/29/2021 - 27 -第第8 8章章 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算8-3 8-3 多表面多表面(biomin)(biomin)系統(tǒng)輻射換熱的計(jì)算系統(tǒng)輻射換熱的計(jì)算第27頁/共52頁第二十七頁，共53頁。b 有一個(gè)表面絕熱，即該表面的凈換熱量為零。其網(wǎng)絡(luò)圖見圖8-14b 和8-14c，與黑體不同的是，此時(shí)該表面的溫度是未知的。同時(shí)，它仍然吸收和發(fā)射輻射

27、，只是發(fā)出的和吸收的輻射相等。由于，熱輻射具有方向性，因此，他仍然影響其它(qt)表面的輻射換熱。這種表面溫度未定而凈輻射換熱量為零的表面被稱為重輻射面。圖8-14 三表面(biomin)系統(tǒng)的兩個(gè)特例 (3) 兩個(gè)重要特例a 有一個(gè)(y )表面為黑體。黑體的表面熱阻為零。其網(wǎng)絡(luò)圖見圖8-14a。此時(shí)，該表面的溫度一般是已知的。11/29/2021 - 28 -第第8 8章章 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算8-3 多表面系統(tǒng)輻射換熱的計(jì)算第28頁/共52頁第二十八頁，共53頁。11/29/2021 - 29 -第第8 8章章 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算8-3 8-3 多表面多表面(biomin

28、)(biomin)系統(tǒng)輻射換熱的計(jì)算系統(tǒng)輻射換熱的計(jì)算第29頁/共52頁第二十九頁，共53頁。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)化輻射換熱的主要途徑有兩種： (1) 增加發(fā)射率；(2) 增加角系數(shù)。削弱輻射換熱的主要途徑有三種： (1) 降低發(fā)射率；(2) 降低角系數(shù)； (3) 加入隔熱板。其實(shí)插入(ch r)防熱板相當(dāng)于降低了表面發(fā)射率。本節(jié)主要討論這種削弱輻射換熱的方式。對于兩個(gè)無限大平面組成的封閉系統(tǒng)，其換熱量為:8-4 輻射換熱的強(qiáng)化(qinghu)與削弱11/29/2021 - 30 -第第8 8章章 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算8-4 8-4 輻射換熱的強(qiáng)化輻射換熱的

29、強(qiáng)化(qinghu)(qinghu)與削弱與削弱第30頁/共52頁第三十頁，共53頁。2222, 11111212, 1111AXAAEEbb為簡單起見，假設(shè) ，則上式變?yōu)??，F(xiàn)在在兩面(lingmin)(lingmin)之間插入一塊發(fā)射率仍為 的遮熱板，這樣就組成了兩個(gè)換熱系統(tǒng)，如圖8-158-15所示. .1,1 , 22 , 12121XXAA)(11121221212, 1bbbbEEEEq11/29/2021 - 31 -第第8 8章章 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算8-4 8-4 輻射換熱的強(qiáng)化輻射換熱的強(qiáng)化(qinghu)(qinghu)與削弱與削弱第31頁/共52頁第三十一頁，共

30、53頁。穩(wěn)態(tài)時(shí)有:2 , 33 , 12 , 1212 , 1232 , 3313 , 1)(21)()(qqqEEqEEqEEqbbsbbsbbs可見(kjin)，與沒有遮熱板時(shí)相比，輻射換熱量減小了一半。圖8-15 8-15 遮熱板11/29/2021 - 32 -第第8 8章章 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算8-4 8-4 輻射換熱的強(qiáng)化輻射換熱的強(qiáng)化(qinghu)(qinghu)與削弱與削弱第32頁/共52頁第三十二頁，共53頁。 8-5 氣體(qt)輻射 本節(jié)將簡要介紹氣體輻射的特點(diǎn)、換熱過程及其處理方法。在工程中常見的溫度范圍內(nèi)， 和 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

31、則較弱，這也是本節(jié)采用這兩種氣體作為例子(l zi)的原因。1 氣體輻射的特點(diǎn) (1) 氣體輻射對波長具有選擇性。它只在某譜帶內(nèi)具有發(fā)射和吸收輻射的本領(lǐng)，而對于其他譜帶則呈現(xiàn)透明狀態(tài)。如圖8-16所示。 (2) 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，最后有一部分會穿透氣體而到達(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)。OH22CO11/29/2021 - 33 -第第8 8章章 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算(j sun)(j sun)8-5 8-5 氣體輻射氣體輻射第33頁/共52頁第三十三頁，共53頁。圖8-16 C

32、O2 8-16 CO2 和H2OH2O的主要(zhyo)(zhyo)吸收譜帶圖8-17 8-17 光譜輻射穿過(chun u)(chun u)氣體層時(shí)的衰減 11/29/2021 - 34 -第第8 8章章 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算(j sun)(j sun)8-5 8-5 氣體輻射氣體輻射第34頁/共52頁第三十四頁，共53頁。2 2 氣體輻射的衰減規(guī)律當(dāng)熱輻射進(jìn)入吸收性氣體層時(shí)，因沿途被氣體吸收而衰減。為了考察輻射在氣體內(nèi)的衰減規(guī)律，如圖8-178-17所示，我們(w men)(w men)假設(shè)投射到氣體界面 x = 0 x = 0 處的光譜輻射強(qiáng)度為 ，通過一段距離x x后，該輻射變

33、為 。再通過微元?dú)怏w層 dx dx 后，其衰減量為 。0 ,LxL,xdL,理論上已經(jīng)證明， 與行程 dx dx 成正比，設(shè)比例(bl)(bl)系數(shù)為 ，則有xkLLxxdd,xxLL,dxk11/29/2021 - 35 -第第8 8章章 輻射輻射(fsh)(fsh)換熱的計(jì)算換熱的計(jì)算8-5 8-5 氣體輻射氣體輻射(fsh)(fsh)第35頁/共52頁第三十五頁，共53頁。式中，負(fù)號表示吸收(xshu)(xshu)， 為光譜衰減系數(shù)，m-1m-1，它取決于其體的種類、密度和波長。對上式進(jìn)行積分可得ksLLxxxkLLs0,dd,0 ,即skseLL0 ,Beer Beer 定律(dngl

34、)(dngl)式中，s s 是輻射(fsh)(fsh)通過的路程長度，常稱之為射線程長。從上式可知，熱輻射(fsh)(fsh)在氣體內(nèi)呈指數(shù)規(guī)律衰減。11/29/2021 - 36 -第第8 8章章 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算8-5 氣體輻射第36頁/共52頁第三十六頁，共53頁。3 3 氣體輻射的光譜吸收(xshu)(xshu)比、光譜發(fā)射率BeerBeer公式可以寫為skseLL0,光譜(gungp)穿透比對于氣體，反射率為零，于是(ysh)(ysh)有根據(jù)KirchhoffKirchhoff定律，光譜發(fā)射率為skess1),(1),(skess1),(),(11/29/2021 - 3

35、7 -第第8 8章章 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算8-5 氣體輻射第37頁/共52頁第三十七頁，共53頁。4 4 氣體的發(fā)射(fsh)(fsh)率工程中作為關(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(fsh)(fsh)率 ，然后利用 計(jì)算氣體的發(fā)射(fsh)(fsh)輻射。而由于氣體的容積輻射特性， 與射線程長關(guān)s s系密切，而s s取決于氣體容積的形狀和尺寸。如圖8-188-18所示。為了使射線程長均勻，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，見圖8-198-19所示。目前人們已經(jīng)將一些典型幾何容積的氣體對整個(gè)包壁的平均射線

36、程長列于表8-18-1中。在缺少資料的情況下，任意幾個(gè)形狀氣體對整個(gè)包壁的平均射線程長可按下式計(jì)算： g4ggTAgAVs6.3式中，V為氣體(qt)容積，m3；A為包壁面積，m2。11/29/2021 - 38 -第第8 8章章 輻射輻射(fsh)(fsh)換熱的計(jì)算換熱的計(jì)算8-5 8-5 氣體輻射氣體輻射(fsh)(fsh)第38頁/共52頁第三十八頁，共53頁。圖8-18 8-18 氣體對不同地區(qū)(dq)(dq)的輻射圖8-19 半球內(nèi)氣體(qt)對球心的輻射11/29/2021 - 39 -第第8 8章章 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算(j sun)(j sun)8-5 8-5 氣體輻

37、氣體輻射射第39頁/共52頁第三十九頁，共53頁。除了與s s有關(guān)外，還與氣體的溫度和氣體得分壓力有關(guān)，于是我們有如下(rxi)(rxi)關(guān)系g),(psTfgg利用上面的關(guān)系，可以采用試驗(yàn)獲得 ，圖8-208-20給出了 時(shí)的水蒸氣發(fā)射率 的圖線。圖8-218-21則是其修正(xizhng)(xizhng)系數(shù) ，于是，水蒸氣的發(fā)射率為gOHC2*222OHOHOHC02OHp*2OH對應(yīng)(duyng)(duyng)于 的圖分別是8-228-22和圖8-238-23。于是2CO*222COCOCOC11/29/2021 - 40 -第第8 8章章 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算8-5 氣體輻射

38、第40頁/共52頁第四十頁，共53頁。圖8-208-20 ),(22*spTOHgOH11/29/2021 - 41 -第第8 8章章 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算(j sun)(j sun)8-5 8-5 氣體輻射氣體輻射第41頁/共52頁第四十一頁，共53頁。圖8-21 修正系數(shù) OHC211/29/2021 - 42 -第第8 8章章 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算(j sun)(j sun)8-5 8-5 氣體輻射氣體輻射第42頁/共52頁第四十二頁，共53頁。圖8-228-22 ),(22*spTCOgCO11/29/2021 - 43 -第第8 8章章 輻射輻射(fsh)(fsh)換

39、熱的計(jì)算換熱的計(jì)算8-5 8-5 氣體輻氣體輻射射(fsh)(fsh)第43頁/共52頁第四十三頁，共53頁。圖8-23 修正系數(shù) 2COC11/29/2021 - 44 -第第8 8章章 輻射換熱的計(jì)算輻射換熱的計(jì)算(j sun)(j sun)8-5 8-5 氣體輻氣體輻射射第44頁/共52頁第四十四頁，共53頁。當(dāng)氣體中同時(shí)(tngsh)存在二氧化碳和水蒸氣時(shí)，氣體的發(fā)射率由下式給出:*2222COCOOHOHgCC式中， 是修正(xizhng)(xizhng)量，由圖8-248-24給出。圖8-24 修正量11/29/2021 - 45 -第第8 8章章 輻射輻射(fsh)(fsh)換熱

40、的計(jì)算換熱的計(jì)算8-5 8-5 氣體輻氣體輻射射(fsh)(fsh)第45頁/共52頁第四十五頁，共53頁。5 5 氣體的吸收比g*2222COCOOHOHgCC式中修正系數(shù) 和 與發(fā)射率公式中的處理方法相同(xin tn)(xin tn)，而 ， 和 的確定可以采用下面的經(jīng)驗(yàn)公式OHC22COC*2OH*2CO45. 0)(,*222wgTTspTOHOHTTgwOHw65. 0)(,*222wgTTspTCOCOTTgwCOwwT11/29/2021 - 46 -第第8 8章章 輻射輻射(fsh)(fsh)換熱的計(jì)算換熱的計(jì)算8-5 8-5 氣體輻射氣體輻射(fsh)(fsh)第46頁/共

41、52頁第四十六頁，共53頁。在其體發(fā)射率和吸收(xshu)比確定后，氣體與黑體外殼之間的輻射換熱公式為:wbggbgEEq,11/29/2021 - 47 -第第8 8章章 輻射輻射(fsh)(fsh)換熱的計(jì)算換熱的計(jì)算8-5 8-5 氣體輻射氣體輻射(fsh)(fsh)第47頁/共52頁第四十七頁，共53頁。本章小結(jié)本章小結(jié)角系數(shù)的定義、性質(zhì)、計(jì)算方法角系數(shù)的定義、性質(zhì)、計(jì)算方法(特別是代數(shù)分析特別是代數(shù)分析法法)和適用條件和適用條件能量守恒的分析方法在兩固體表面間輻射換熱的應(yīng)能量守恒的分析方法在兩固體表面間輻射換熱的應(yīng)用用系統(tǒng)黑度的計(jì)算公式及三種特殊情形的處理系統(tǒng)黑度的計(jì)算公式及三種特殊情形的處理熱網(wǎng)絡(luò)法的基本思路、計(jì)算過程、熱網(wǎng)絡(luò)圖熱網(wǎng)絡(luò)法的基本思路、計(jì)算過程、熱網(wǎng)絡(luò)圖重輻射面的性質(zhì)、影響輻射換熱的形式及其溫度的重輻射面的性質(zhì)、影響輻射換熱的形式及其溫度的求解方法，以及重輻射面與黑表面的區(qū)別求解方法，以及重輻射面與黑表面的區(qū)別輻射換熱的強(qiáng)化與