輻射換熱計(jì)算

1、關(guān)于輻射換熱的計(jì)算第一張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月9-1 角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計(jì)算 1. 角系數(shù)的定義 兩個(gè)表面之間的輻射換熱量與兩個(gè)表面之間的相對(duì)位置有很大的關(guān)系。見下圖（9-1）。 圖a中兩表面無(wú)限接近，相互間的換熱量最大；圖b中兩表面位于同一平面上，相互間的輻射換熱量為零。由圖可以看出，兩個(gè)表面間的相對(duì)位置不同時(shí)，一個(gè)表面發(fā)出而落到另一個(gè)表面上的輻射能的百分?jǐn)?shù)隨之而異，從而影響到換熱量。 下面介紹角系數(shù)的概念及表達(dá)式。第二張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月(1) 角系數(shù)：有兩個(gè)表面，編號(hào)為1和2，其間充滿透明介質(zhì)，我們把表面1對(duì)表面2的角系數(shù)X1,2定義為：把表面1發(fā)出

2、的輻射能中落到表面2上的百分?jǐn)?shù)稱為表面1對(duì)表面2的角系數(shù)，記為X12。即同理，也可以定義表面2對(duì)表面1的角系數(shù)。(9-1) 在討論角系數(shù)時(shí)，我們假設(shè)：所研究的表面是漫射表面，在所研究表面的不同地點(diǎn)上向外發(fā)射的輻射熱流密度是均勻的。因此，物體的表面溫度及黑度的改變只影響到該物體向外發(fā)射的輻射能大小而不影響在空間的相對(duì)分布，因而不影響輻射能落到其他表面上的百分?jǐn)?shù)，于是，角系數(shù)就純是一個(gè)幾何因子，與兩個(gè)表面的溫度及黑度沒有關(guān)系，從而給其計(jì)算帶來(lái)很大的方便。 為了討論的方便，在研究角系數(shù)時(shí)把物體作為黑體來(lái)處理。所得到的結(jié)論對(duì)于漫灰表面均適合。 第三張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月(2) 微元面

3、對(duì)微元面的角系數(shù) 如圖9-2所示，黑體微元面dA1對(duì)微元面dA2的角系數(shù)記為Xd1,d2，則根據(jù)前面的定義式有類似地有(3) 微元面對(duì)面的角系數(shù) 由角系數(shù)的定義可知，微元面dA1對(duì)面A2的角系數(shù)為圖9-2 兩微元面間的輻射(9-2b)第四張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月(4) 面對(duì)面的角系數(shù) 面A1對(duì)面A2的角系數(shù)X1,2以及面A2對(duì)面A1的角系數(shù)X2,1分別為微元面dA2對(duì)面A1的角系數(shù)則為(9-3a)(9-3b)(9-4a)(9-4b)第五張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月第六張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2. 角系數(shù)性質(zhì)根據(jù)角系數(shù)的定義和諸解析式，可導(dǎo)出角系數(shù)的代

4、數(shù)性質(zhì)。(1) 相對(duì)性 由式(8-2a)和(8-2b)可以看出第七張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 由式(9-4a)和(9-4b)也可以看出 以上性質(zhì)被稱為角系數(shù)的相對(duì)性。第八張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月上式稱為角系數(shù)的完整性。若表面1為非凹表面時(shí)，X1,1 = 0。值得注意的是，上圖中的表面2對(duì)表面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) 完整性 對(duì)于有n個(gè)表面組成的封閉系統(tǒng)，見圖9-4所示，據(jù)能量守恒可得:(3) 可加性 如圖9-4所示，表面2可分為2a和2b兩個(gè)面，當(dāng)然也可以分 為n個(gè)面，則角系數(shù)的可加性為第九張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6

5、月圖9-5 角系數(shù)的可加性如果把表面2分成若干個(gè)小塊，則仍有 注意，利用角系數(shù)可加性時(shí)，只有對(duì)角系數(shù)符號(hào)中第二個(gè)角碼是可加的，對(duì)角系數(shù)符號(hào)中的第一個(gè)角碼則不存在類似的關(guān)系。 。再來(lái)看一下2 對(duì) 1 的能量守恒情況: 由于從表面2發(fā)出落到表面1上的總輻射能，等于從表面2的各個(gè)組成部分發(fā)出而落到表面1上的輻射能之和。 第十張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月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(9-2)(9-4)。工程上已將大量幾何結(jié)構(gòu)角系數(shù)的求解結(jié)果繪成圖線。見圖9-7，8，9。下面只給出代數(shù)分析法

6、。 代數(shù)法 利用角系數(shù)的相對(duì)性、完整性及可加性，通過(guò)求解代數(shù)方程而獲得角系數(shù)的方法稱為代數(shù)法。 三角法由三個(gè)表面組成的封閉系統(tǒng)的角系數(shù)的計(jì)算公式。 假設(shè)由A1、A2、A3三個(gè)凸面組成封閉系統(tǒng)（垂直于紙面方向很長(zhǎng)，從兩端開口處逸出的輻射能可忽略不計(jì)），據(jù)角系數(shù)的相對(duì)性和完整性可得：第十一張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月通過(guò)求解這個(gè)封閉的方程組，可得所有角系數(shù)，如X1,2為:圖9-10 三個(gè)非凹表面組成的封閉系統(tǒng)第十二張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月若系統(tǒng)橫截面上三個(gè)表面的斷面長(zhǎng)度分別為l1，l2和l3，則上式可寫為根據(jù)完整性和上面的公式，有:圖9-11 兩個(gè)非凹表面及假想面組成的

7、封閉系統(tǒng)交叉線法 見圖9-11，假設(shè)兩個(gè)表面垂直于紙面方向很長(zhǎng)，作輔助線ac和bd,組成封閉腔。則有： 第十三張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月解方程組得:該方法又被稱為交叉線法。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(shuō)是輔助線第十四張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月9-2 被透明介質(zhì)隔開的兩固體表面間的輻射換熱 透熱介質(zhì)指的是不參與熱輻射的介質(zhì)。 熱輻射是物體以電磁波方式向外界傳遞能量的過(guò)程，在計(jì)算任何一個(gè)表面與外界之間的輻射換熱時(shí)，必須把由該表面向空間各個(gè)方向發(fā)射出去的輻射能考慮在內(nèi)，也必須把由空間各個(gè)方向投射到該表面上的輻射能包括進(jìn)去。為了確保這一點(diǎn)，計(jì)算

8、的對(duì)象必須是包括所研究的表面在內(nèi)的一個(gè)封閉腔。這個(gè)輻射換熱封閉腔的表面可以全部是真實(shí)的，也可以部分是虛構(gòu)的。最簡(jiǎn)單的封閉腔是兩塊無(wú)限接近的平行平板。本節(jié)只討論由兩個(gè)表面組成的封閉系統(tǒng)，重點(diǎn)在于灰體表面間輻射換熱的計(jì)算。 1.兩個(gè)黑體表面間的輻射換熱 如圖9-13所示，黑表面1和2之間的輻射換熱量為第十五張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圖9-13 黑體系統(tǒng)的輻射換熱由此可見，黑體系統(tǒng)輻射換熱量計(jì)算關(guān)鍵在于確定角系數(shù)。 2兩個(gè)灰體表面間的輻射換熱 因灰體的吸收率1，投入到灰體上的輻射能要經(jīng)過(guò)多次的吸收與反射；同時(shí)由一個(gè)灰體表面向外發(fā)射出去的輻射能除了其自身的輻射力外還包括了被反射的輻射能在

9、內(nèi)。這就給輻射換熱的計(jì)算增加了不少?gòu)?fù)雜性，為避免計(jì)算輻射換熱時(shí)出現(xiàn)的多次的吸收與反射，引入有效輻射的概念。 第十六張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（1）有效輻射與投入輻射的定義我們把單位時(shí)間內(nèi)投射到單位表面積上的總輻射能稱為投入輻射G把單位時(shí)間內(nèi)離開單位表面積上的總輻射能稱為有效輻射J。有效輻射由兩部分組成本身輻射E=Eb反射輻射G =(1-)G 假設(shè)表面1的溫度均勻、表面輻射特性為常數(shù)：則 J1=E1+1G1=1Eb1+(1-1)G1 對(duì)于黑體J1=1Eb1，即有效輻射就等于本身輻射。 （2）物體表面與外界的輻射換熱量的計(jì)算（見圖9-14） 從表面1的外部看，其能量收支差額應(yīng)等于有效

10、輻射與投入輻射之差，即 q= J1-G1 （a） 圖9-14 有效輻射示意圖第十七張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月即：從表面1內(nèi)部觀察，該表面與外界的輻射換熱量應(yīng)為q= E1-1G1 (b)從式中消去G，即得有效輻射J與表面凈輻射換熱量q間的關(guān)系： 對(duì)于灰體=，有第十八張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月下面來(lái)分析兩個(gè)等溫漫灰表面封閉系統(tǒng)內(nèi)的輻射換熱情況。如圖9-15所示，兩個(gè)表面的凈換熱量為根據(jù)下式及能量守恒有(d)第十九張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月于是有圖9-15 兩個(gè)物體組成的輻射換熱系統(tǒng)第二十張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月定義系統(tǒng)黑度(或稱為系統(tǒng)發(fā)射率

11、)與黑體輻射換熱比較，上式多了一個(gè) ，它是考慮由于灰體系統(tǒng)多次吸收與反射對(duì)換熱量影響的因子。第二十一張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月三種特殊情形空腔與內(nèi)包物體間的換熱 設(shè)表面1為平面或凸面，則X1，2=1 。由上式得（式9-15） 第二十二張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月表面積F1和F2相差很小，即A1/A21的輻射換熱系統(tǒng)。例兩個(gè)無(wú)限大平板間的輻射換熱（見圖9-16） 第二十三張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月表面積A2比A1大很多，即A1/A20時(shí)（表面1為非凹面）例如：大房間內(nèi)的高溫管道的輻射換熱，以及氣體容器內(nèi)（或管道內(nèi)）熱電偶測(cè)溫的輻射誤差。 系統(tǒng)黑體s=1。在

12、這種情況下進(jìn)行輻射換熱量計(jì)算，不需要知道包殼物體2的面積A2及其黑度。 第二十四張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 9-3 多表面系統(tǒng)輻射換熱的計(jì)算 在由兩個(gè)表面組成的封閉系統(tǒng)中，一個(gè)表面的凈輻射換熱量也就是該表面與另一表面間的輻射換熱量。而在多表面系統(tǒng)中，一個(gè)表面的凈輻射換熱量是與其余各表面分別換熱的換熱量之和。工程計(jì)算的主要目的是獲得一個(gè)表面的凈輻射換熱量。對(duì)于多表面系統(tǒng)，可以采用網(wǎng)絡(luò)法或數(shù)值方法來(lái)計(jì)算每一表面的凈輻射換熱量。 1表面輻射熱阻與空間輻射熱阻網(wǎng)絡(luò)法中兩個(gè)單元等效電路 表面輻射熱阻與空間輻射熱阻分別取決于表面的輻射特性（）及表面的空間結(jié)構(gòu)（角系數(shù)X）。第二十五張，PPT共

13、七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 表面輻射熱阻上節(jié)公式(9-12)：改寫為：式中， 稱為表面熱勢(shì)差； 則被稱為表面輻射熱阻。第二十六張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圖9-19 表面輻射熱阻表面輻射熱阻見圖9-19所示，可見，每一個(gè)表面都有一個(gè)表面輻射熱阻。對(duì)于黑表面， 1 Rr 0 即，黑體的表面熱阻等于零。又根據(jù)上節(jié)中的公式(d)以及角系數(shù)相對(duì)性？(2)空間輻射熱阻 第二十七張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月式中， 是空間熱勢(shì)差， 則是空間輻射熱阻，如圖9-19所示，可見，每一對(duì)表面就有一個(gè)空間輻射熱阻。圖9-19 空間輻射熱阻第二十八張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月2 網(wǎng)

14、絡(luò)法的應(yīng)用舉例 （1）首先來(lái)看前面講過(guò)的兩漫灰表面組成的封閉系統(tǒng)，參見圖9-15，其等效網(wǎng)絡(luò)圖見9-20所示，根據(jù)電路中的基爾霍夫定律流入節(jié)點(diǎn)的電流總和等于零，列出各個(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9-20 兩表面封閉系統(tǒng)輻射換熱等效網(wǎng)絡(luò)圖第二十九張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月求解上面方程組獲得 ，根據(jù)： 計(jì)算凈輻射熱流，其中i 代表表面1或表面2。在上面的過(guò)程中需要注意的是(1)節(jié)點(diǎn)的概念；(2)每個(gè)表面一個(gè)表面熱阻，每對(duì)表面一個(gè)空間熱阻；(3)以及畫電路圖的一些基本知識(shí)。（2）下面再來(lái)看一下三個(gè)表面的情況，見圖9-21。與兩個(gè)表面相似，首先需要畫出等效網(wǎng)絡(luò)，見

15、圖9-22所示，然后，列出各節(jié)點(diǎn)的電流方程。 這種把輻射熱阻比擬成等效的電阻從而通過(guò)等效的網(wǎng)絡(luò)圖來(lái)求解輻射換熱的方法稱為輻射換熱的網(wǎng)絡(luò)法。 第三十張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月9-21 由三個(gè)表面組成的封閉系統(tǒng)9-22 三表面封閉腔的等效網(wǎng)絡(luò)圖第三十一張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月節(jié)點(diǎn) 的熱流方程如下：求解上面的方程組，再計(jì)算凈換熱量。第三十二張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月總結(jié)上面過(guò)程，可以得到應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)法的基本步驟如下：劃出等效的網(wǎng)絡(luò)圖。畫圖時(shí)注意（a）每一個(gè)參與換熱的表面（凈換熱量不為零的表面）均應(yīng)有一段相應(yīng)的電路，它包括源電勢(shì)、表面熱阻及節(jié)點(diǎn)電勢(shì)；(b)各節(jié)點(diǎn)

16、之間通過(guò)空間輻射熱阻連結(jié)。 列出節(jié)點(diǎn)的電流方程。劃出等效的網(wǎng)絡(luò)圖后，輻射換熱問題就可作為直流電路問題來(lái)求解。圖9-21 9-22示出三個(gè)表面的輻射換熱量問題的等效的網(wǎng)絡(luò)圖，據(jù)電學(xué)中的基爾霍夫定律列出節(jié)點(diǎn)的電流方程： 求解上述方程得出節(jié)點(diǎn)電勢(shì)J1、J2、J3（表面輻射熱阻） 按下式確定每個(gè)表面的凈輻射換熱量。第三十三張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月(3) 兩個(gè)重要特例a 有一個(gè)表面為黑體。黑體的表面熱阻為零。其網(wǎng)絡(luò)圖見圖9-23a。上述方程簡(jiǎn)化為二元方程組。 b有一個(gè)表面絕熱，即凈輻射換熱量q為零。設(shè)表面3為絕熱，則 即該表面的有效輻射等于某一溫度下的黑體輻射。但此時(shí)絕熱表面的溫度是未知

17、的，而由其他兩個(gè)表面所決定，其等效網(wǎng)絡(luò)圖如圖（9-23b）所示。J3是一個(gè)浮動(dòng)電勢(shì)，取決于J1、J2及其間的兩個(gè)表面熱阻。簡(jiǎn)化的電路圖見圖（9-23c）可清楚地看出上述特點(diǎn)。 第三十四張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月9-23 三表面系統(tǒng)的兩個(gè)特例第三十五張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月這種表面溫度未定而凈的輻射換熱量為零的表面稱為重輻射面。計(jì)算式見414頁(yè)的e、f、g式。 在工程計(jì)算中常會(huì)遇到重輻射面的情形。加熱爐中保溫很好的耐火爐墻就是這種絕熱表面。這時(shí)可以認(rèn)為它把落在其表面的輻射能又完全重新輻射出去，因而被稱為重輻射面。雖然重輻射面與換熱面之間無(wú)凈輻射換熱交換，但它的重輻射

18、作用卻影響到其他換熱表面間的輻射換熱。 3數(shù)值計(jì)算法（自學(xué)） 第三十六張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月9-4 輻射換熱的強(qiáng)化與削弱 由于工程上的需求，經(jīng)常需要強(qiáng)化或削弱輻射換熱。本節(jié)利用本章以前討論的內(nèi)容對(duì)強(qiáng)化或消弱輻射換熱的方法作一歸納，最后給出輻射換熱表面換熱系數(shù)的定義及計(jì)算方法。1強(qiáng)化輻射換熱的方法 可采用增加換熱表面黑度(即減少表面熱阻)以及改變兩表面的布置以增加角系數(shù)（即減少空間熱阻）的方法。 增加黑度時(shí)應(yīng)注意首先增加對(duì)換熱影響最大的那一個(gè)表面的黑度（例空腔與內(nèi)包物體的換熱應(yīng)增加內(nèi)包物體的黑度更有效）。 2削弱輻射換熱的方法 可采用減少表面黑度（增加表面熱阻）及在兩輻射表面之

19、間安插遮熱板（增加總熱阻）的方法。例如衛(wèi)星表面采用對(duì)太陽(yáng)能吸收率小的材料做表面涂層,置于室外的發(fā)熱設(shè)備（如變壓器）用淺色油漆作為涂層。 第三十七張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月為了減少輻射換熱，在換熱面之間插入薄板是個(gè)有效措施。 （1）板式遮熱板 未插入遮熱板時(shí)兩個(gè)大平板的輻射換熱量為： 中間插入一塊遮熱板后的輻射換熱量為： 第三十八張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月插入n塊相同黑度的遮熱板后的輻射換熱量為： 若1=2=3=，則第一塊遮熱板使輻射換熱量減少了1/2第二塊遮熱板使輻射換熱量減少了1/2-1/3=1/6 第三塊遮熱板使輻射換熱量減少了1/3-1/4=1/12第四塊遮熱

20、板使輻射換熱量減少了(1/n-1/n+1)=1/n(n+1) 第三十九張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月當(dāng)在兩個(gè)平板（=0.8）間插入一塊黑度為0.05的遮熱板時(shí)，可使輻射換熱量減少到原來(lái)的1/27。（2）筒狀遮熱板 未插入遮熱板時(shí)的輻射換熱量為： 中間插入一塊遮熱板后的輻射換熱量為： 插入n塊相同黑度的遮熱板后的輻射換熱量為： 第四十張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月遮熱板的應(yīng)用（1）汽輪機(jī)中用于減少內(nèi)、外套管間輻射換熱的園筒形遮熱板。（2）遮熱板應(yīng)用于儲(chǔ)存液態(tài)氣體的低溫容器。儲(chǔ)存液氮、液氧的容器（見圖9-42）。采用多層遮熱板并抽真空的超級(jí)隔熱材料，遮熱板用塑料薄膜制成，其上涂

21、吸收率很小的金屬箔層(例鍍銀，鉻)。 （3）遮熱板應(yīng)用于超級(jí)隔熱油管。（見圖9-43）采用多層遮熱板并抽真空的超級(jí)隔熱材料，半徑方向上的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)為0.003w/(m.k)。 第四十一張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月（4）遮熱板用于提高溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度。見圖9-44 對(duì)裸露熱電偶：高溫氣流以對(duì)流方式把熱量傳給熱電偶，同時(shí)熱電偶又以輻射方式把熱量傳給溫度較低的壁面。當(dāng)對(duì)流換熱量等于輻射換熱量時(shí)，熱電偶的溫度不再變化，此溫度即為熱電偶的指示溫度。此值必低于氣體的真實(shí)溫度，造成誤差。第四十二張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 當(dāng)使用遮熱罩抽氣式熱電偶時(shí)，遮熱罩使輻射換熱減少，而抽氣作

22、用又增加了氣體與熱電偶間的對(duì)流換熱，從而使熱電偶的指示溫度更接近于氣體的真實(shí)溫度，使測(cè)量誤差減少。 第四十三張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3復(fù)合換熱的計(jì)算 工程中對(duì)流與輻射常常同時(shí)存在。這種對(duì)流與輻射同時(shí)存在的換熱過(guò)程稱為復(fù)合換熱。對(duì)于復(fù)合換熱，工程計(jì)算時(shí)常采用把輻射換熱量折合成對(duì)流換熱量的處理辦法。先按輻射換熱的有關(guān)公式算出輻射換熱量Qr，然后將它表示成牛頓冷卻公式的形式：（式9-32）式中：hr輻射換熱系數(shù)。 于是復(fù)合換熱的總換熱量可方便的表示成（式9-33） 式中：hc對(duì)流換熱系數(shù)。ht復(fù)合換熱系數(shù)。 第四十四張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 輻射換熱系數(shù)的計(jì)算式與計(jì)算

23、系統(tǒng)有關(guān)，如對(duì)位于溫度為T2的大空間的凸表面（溫度為T1），可有（式9-34）第四十五張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 9-5 氣體輻射 在工業(yè)上常見的溫度范圍內(nèi)，高溫單原子惰性氣體和分子結(jié)構(gòu)對(duì)稱的雙原子氣體（O2、N2、H2），并無(wú)發(fā)射和吸收輻射能的能力，可當(dāng)作透明介質(zhì)。但對(duì)非對(duì)稱結(jié)構(gòu)雙原子CO和多原子氣體CO2、H2O具有相當(dāng)大的輻射本領(lǐng)。當(dāng)這類氣體出現(xiàn)在換熱場(chǎng)合中時(shí)，就要涉及到氣體與固體間的輻射換熱計(jì)算。由于燃油、燃煤的燃燒物中通常含有一定濃度的CO2和水蒸氣，所以本章主要介紹CO2和水蒸氣的輻射和吸收特性。 1氣體的輻射特點(diǎn)（1）氣體輻射對(duì)波長(zhǎng)有選擇性 氣體輻射對(duì)波長(zhǎng)有強(qiáng)烈的選

24、擇性，它只在某些波長(zhǎng)區(qū)段內(nèi)具有輻射和吸收能力，通常把這種有輻射能力的波段稱為光帶。在光帶以外，氣體即不吸收亦不輻射，對(duì)熱輻射呈透明體的性質(zhì)。見圖9-27。 由于輻射對(duì)波長(zhǎng)具有選擇性的特點(diǎn)，氣體不是灰體。 第四十六張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圖9-27 CO2 和H2O的主要吸收譜帶（2）氣體的輻射和吸收是在整個(gè)容積中進(jìn)行的固體和液體的輻射和吸收都具有在表面上進(jìn)行的特點(diǎn)。 而氣體則表現(xiàn)為容積輻射和吸收就吸收而言，投射到氣體層界面上的輻射能要在輻射行程中被吸收減弱。就輻射而言，氣體層界面上所感受到的輻射為到達(dá)界面上的整個(gè)容積氣體的輻射。即氣體的吸收和輻射是在整個(gè)容積氣體中進(jìn)行的，與氣體

25、的容積和形狀有關(guān)。第四十七張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圖9-28 光譜輻射穿過(guò)氣體層時(shí)的衰減 2氣體的單色吸收比及穿透比的計(jì)算貝爾定律 當(dāng)輻射能通過(guò)吸收性氣體層時(shí)，因沿途被氣體吸收而削弱。削弱的程度取決于輻射強(qiáng)度及途中所碰到的氣體分子數(shù)目。氣體分子數(shù)目則和射線行程長(zhǎng)度及氣體的密度有關(guān)=f(p,T)。 經(jīng)x后為I,xx+dx 處為I,x+dx x=0時(shí)的單色輻射強(qiáng)度為I,0通過(guò)dx（微元?dú)怏w層）時(shí)的減 少量為dI,x輻射強(qiáng)度的相對(duì)減少量dI/I正比于氣體層厚度dx,故dI,x正比于I,xdx的乘積。即 式中：k單色減弱系數(shù)，它取決于氣體的種類、密度和波長(zhǎng)，當(dāng)氣體的溫度和壓力為常數(shù)時(shí)，

26、k不變。對(duì)上式進(jìn)行積分可得第四十八張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月即Beer 定律式中，s 是輻射通過(guò)的路程長(zhǎng)度，常稱之為射線程長(zhǎng)。從上式可知，單色輻射強(qiáng)度在吸收性氣體中傳播時(shí)按指數(shù)規(guī)律衰減。Beer公式可以寫為單色穿透比對(duì)于氣體，反射率為零，于是有根據(jù)Kirchhoff定律，單色發(fā)射率為第四十九張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 上面我們討論了某個(gè)特定波長(zhǎng)的輻射能在某個(gè)特定方向上在氣體中的傳遞過(guò)程。在工程計(jì)算中重要的是確定氣體在所有光帶范圍內(nèi)輻射能的總和。即氣體的輻射力。按黑度的定義g=Eg/Eb，所以氣體的黑度取決于氣體的種類，對(duì)同一氣體它的黑度又受哪些因素支配呢？ 3氣體的

27、黑度、吸收率的計(jì)算(1)平均射線行程 由于氣體容積輻射的特點(diǎn)，輻射力與射線行程的長(zhǎng)度有關(guān)，而射線行程取決于氣體容積的形狀和尺寸。從圖9-29可知，從不同方向輻射到A或B處的射線行程是各不相同的。只有如圖9-30所示的半球氣體容積對(duì)球心dA的輻射，各個(gè)方向上的射線行程都是一樣的，即半徑R。 對(duì)其它氣體形狀采用當(dāng)量半球的處理辦法：所謂當(dāng)量半球，是指半球內(nèi)的氣體具有與研究的情況相同的溫度、壓力和成分時(shí)，該半球內(nèi)氣體對(duì)球心的輻射力，等于所研究情況下氣體對(duì)指定地區(qū)的輻射力。實(shí)用上正是采用這種當(dāng)量半球作為平均射線行程的。第五十張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圖9-29 氣體對(duì)不同地區(qū)的輻射圖9-3

28、0 半球內(nèi)氣體對(duì)球心的輻射 典型幾何容積的氣體對(duì)整個(gè)包壁或?qū)δ骋谎芯康那闆r平均射線行程見表9-3。當(dāng)缺乏數(shù)據(jù)時(shí)采用下式計(jì)算： 式中，V為氣體容積，m3；A為包壁面積，m2。第五十一張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月利用上面的關(guān)系，可以采用試驗(yàn)獲得 ，圖9-31給出了 時(shí)的水蒸氣發(fā)射率 的圖線。圖9-32則是其修正系數(shù) ，于是，水蒸氣的發(fā)射率為對(duì)應(yīng)于 的圖分別是9-33和圖9-34。于是 注意：平均射線行程不僅與氣體容積的形狀、大小有關(guān)，還與被輻射表面在容器壁面上的位置有關(guān)。 （2）氣體黑度的確定 氣體的輻射力受氣體的溫度、成分和沿途吸收性氣體分子數(shù)目?jī)蓚€(gè)因素所支配。沿途氣體分子數(shù)目顯然與

29、氣體分壓力p和平均射線行程S的乘積pS成正比。則（式9-26） 第五十二張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圖9-31 第五十三張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圖9-32 修正系數(shù) 第五十四張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圖9-33 第五十五張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月圖9-34 修正系數(shù) 第五十六張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月當(dāng)氣體中同時(shí)存在二氧化碳和水蒸氣時(shí)，氣體的發(fā)射率由下式給出:式中， 是修正量，由圖935給出。它是由于水蒸氣和CO2光帶部分重疊而引入的修正量。 圖9-35 修正量第五十七張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月式中修正系數(shù) 和

30、 與發(fā)射率公式中的處理方法相同，而 ， 和 的確定可以采用下面的經(jīng)驗(yàn)公式（3）氣體吸收率的確定 由于氣體輻射有選擇性，不能把它作為灰體，而且氣體與外殼有換熱的情況下，也不處于熱平衡，所以氣體的吸收率g不等于黑度g。水蒸氣與CO2共存的混合氣體對(duì)黑體外殼輻射的吸收率可表示為： 第五十八張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月在氣體發(fā)射率和吸收比確定后，氣體與黑體外殼之間的輻射換熱計(jì)算十分簡(jiǎn)單，只要把氣體的本身輻射減去氣體的吸收輻射即可。即4氣體與黑體外殼間輻射換熱量的計(jì)算氣體與灰體外殼之間，以及灰體間存在吸收性介質(zhì)時(shí)的輻射換熱計(jì)算問題，可參考陳鐘頎的傳熱學(xué)專題講座。第五十九張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)

31、作于2022年6月8-5太陽(yáng)能利用中的傳熱問題 隨著太陽(yáng)能利用越來(lái)越普遍（太陽(yáng)能熱水器、電池等），為了更好的利用太陽(yáng)能，提高經(jīng)濟(jì)性，認(rèn)識(shí)太陽(yáng)輻射的特點(diǎn)很有必要。 1太陽(yáng)輻射的光譜分析（圖8-23）近似于T=5762K的黑體輻射，99的能量集中于=0.23m的波段內(nèi)。m=0.48m，與工業(yè)爐窯T=2000K的能量分布有很大的區(qū)別。 2投射到地面上的太陽(yáng)輻射有多少（1）投射到大氣層外緣的輻射能有多少 日地間的距離在一年中是有變化的，在日地平均距離處，大氣層外緣與太陽(yáng)射線相垂直的單位表面積所接受到的太陽(yáng)輻射能為1367w/m2，此值稱為太陽(yáng)常數(shù)Sc，它與地球位置或一天的時(shí)間無(wú)關(guān)。 大氣層外緣水平面上

32、每單位面積所接受到的太陽(yáng)輻射能為（式8-26） 第六十張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月式中：f地日距離修正系數(shù)，f=0.99-1.03 太陽(yáng)射線與地面法線間的夾角，稱為天頂角。 （2）投射到地面上的輻射能有多少 太陽(yáng)輻射在穿過(guò)大氣層到達(dá)地面的行程中還要受到減弱。大氣層中的云層和較大的塵粒把太陽(yáng)輻射部分地反射回宇宙空間是一種減弱作用，而大氣中的O3、N2、O2、H2O及塵埃等對(duì)太陽(yáng)輻射的散射和吸收是另一種減弱作用（圖8-23所示）。由于散射作用，投射到地面上的太陽(yáng)能包括直接輻射和天空散射兩部分（天空散射有時(shí)可達(dá)10的份額）。 在比較理想的情況下，中緯度地區(qū)正午前后四小時(shí)到達(dá)地面的太陽(yáng)輻射

33、能約為1000w/m2，而在工業(yè)城市中，由于污染此值將減少10-20。中午時(shí)刻太陽(yáng)射線穿過(guò)大氣層的行程最短，早晚則增大。 為了克服天頂角的影響，采用太陽(yáng)跟蹤的措施是提高太陽(yáng)輻射的一種有效措施。 第六十一張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月3太陽(yáng)能集熱器效率分析 平板型太陽(yáng)能集熱器示意圖10-3。 太陽(yáng)能穿過(guò)透明覆蓋投射到吸熱面上，為了提高效率，在吸熱面上常涂有對(duì)太陽(yáng)輻射具有很高單色吸收率的涂層。太陽(yáng)能集熱器的效率為（式10-2） 式中：qg太陽(yáng)能集熱器的有效收益熱流密度， Gs投入集熱器的太陽(yáng)輻射能。 第六十二張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月 由公式可知：提高太陽(yáng)能集熱器效率的途徑

34、為，在保持最大限度采集太陽(yáng)輻射的同時(shí)，盡可能較少其對(duì)流與輻射損失。 （1）透明覆蓋的影響 采用透明的玻璃和塑料薄膜使吸收面不直接暴露于外界環(huán)境，是減少熱損失的有效措施之一。見圖8-21。普通玻璃對(duì)短波長(zhǎng)3m時(shí)，很大。對(duì)長(zhǎng)波長(zhǎng)3m時(shí)，很小。產(chǎn)生溫室效應(yīng)。（2）吸收面輻射特性的影響 集熱器單位面積的熱平衡方程為：式中：透明覆蓋層對(duì)太陽(yáng)輻射的穿透比 s吸收面對(duì)太陽(yáng)輻射的吸收比 qr，p吸收面對(duì)透明覆蓋的輻射換熱量 qh,p吸收面的對(duì)流換散熱（與表面的輻射特性無(wú)關(guān)）。 第六十三張，PPT共七十頁(yè)，創(chuàng)作于2022年6月而qr，p可采用灰體平行平板的輻射換熱公式計(jì)算： 上式揭示了吸熱面、透明覆蓋材料的輻射特性對(duì)集熱器效率的影響。總是隨s的增加及p和tr