輻射傳熱的計算

1、一、組成輻射網絡的基本熱阻,（1）表面輻射熱流,（2）空間輻射熱流,知識回顧：,,,,,,,,,,,,,,,,,,二、漫灰表面之間輻射換熱的網絡求解法,①兩漫灰表面構成封閉空間的輻射換熱,系統(tǒng)黑度：,a）一凸形/平漫灰表面被另一漫灰表面包圍。,b）凸形漫灰表面對大空間。,c) 兩緊靠平行表面，即A1/A2? 1，X1,2=1。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Eb1,Eb2,Eb3,J1,J2,J3,三個漫灰表面構

2、成封閉空間的輻射換熱,節(jié)點1：,節(jié)點2：,節(jié)點3：,a）一表面為黑體。,兩特殊情形：,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Eb1,Eb2,J1,J2,J3= Eb3,表面3為黑體,,,,,節(jié)點1：,節(jié)點2：,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Eb1,Eb2,J1,J2,J3= Eb3,表面3絕熱,b）一表面絕熱。,,9-35：設有如附圖所示的幾何體，半球表面是絕熱的，底面被一直徑（D＝0.2m）分為1、2兩部分。表面1為灰

3、體，T1=550K,ε=0.35，表面2為黑體，T2=330K。試計算表面1的凈輻射損失及表面3的溫度。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,Eb1,Eb2,J1,J2,J3,,=Eb3,=Eb2,,3絕熱，D＝0.2m。T1=550K,ε=0.35，2為黑體，T2=330K。計算Φ1及T3的溫度。,,,,,,,,,,,,,,,,,Eb1,J1,J2,J3,,=Eb3,=Eb2,,3絕熱，D＝0.2m。T1=550K,ε=0.35

4、，2為黑體，T2=330K。計算Φ1及T3的溫度。,,,,,,,,,,,,,,,,,Eb1,J1,J2,J3,,=Eb3,=Eb2,第九章 輻射傳熱的計算,§9-1 輻射傳熱的角系數§9-2 兩表面封閉系統(tǒng)的輻射傳熱§9-3 多表面系統(tǒng)的輻射傳熱§9-4 氣體輻射的特點及計算§9-5 輻射傳熱的控制§9-6 綜合傳熱問題分析,工業(yè)上常見的溫度范圍內，氧

5、、氮、氫等分子結構對稱的雙原子氣體，可認為是熱輻射的透明體。輻射性氣體主要有：二氧化碳、水蒸氣、二氧化硫、甲烷、氟里昂等三原子、多原子及結構不對稱的雙原子氣體（一氧化碳）。,§9-4 氣體輻射的特點及計算,1. 對波長的選擇性輻射性氣體只在某些特定波段具有輻射和吸收本領。,§9-4 氣體輻射的特點及計算,一、氣體輻射的特點,CO2的主要輻射光帶：H2O的主要輻射光帶：,CO2和H2O的主要吸收譜帶,

6、67;9-4 氣體輻射的特點及計算,2、容積性投射到氣體層界面上的輻射能在輻射行程中逐漸被吸收，同時界面上所感受到的輻射為整個容積的總輻射。,因此，氣體的吸收和發(fā)射與輻射在氣體中穿行的距離長短（通常叫行程）以及氣體分子的密度有直接關系。而氣體的密度則取決于它的溫度和分壓力。,二、氣體輻射的衰減規(guī)律,三、氣體輻射的光譜吸收比、光譜發(fā)射率,四、氣體的發(fā)射率εg和吸收比αg,五、氣體與包壁的輻射傳熱,§9-4 氣體輻射的特點及

7、計算,二、氣體輻射的衰減規(guī)律,§9-4 氣體輻射的特點及計算,貝爾定律給出了光譜輻射強度在吸收性氣體中傳播時的衰減規(guī)律。,——Beer 定律,Kλ為光譜衰減系數，m-1，它取決于物體的種類、密度和波長。s為射線行程。,從不同方向到表面的射線行程各不相同，為此用當量半球的半徑作為平均射線行程，用s表示。,幾種典型幾何容積的S 見表9-3。對任意幾何形狀的情況，可按下式計算：V:氣體容積; A:包壁面積,§9

8、-4 氣體輻射的特點及計算,§9-4 氣體輻射的特點及計算,是厚度為s的氣體層的單色穿透比,三、氣體輻射的光譜吸收比、光譜發(fā)射率,根據Kirchhoff定律，光譜發(fā)射率為,分壓P、溫度T、射線行程s,四、氣體的發(fā)射率εg和吸收比αg,§9-4 氣體輻射的特點及計算,εg除了與s有關外，還與氣體的溫度和氣體的分壓力有關，于是我們有如下關系：,利用上面的關系，可以采用試驗獲得εg，圖8-20給出了PH2O=0時的水

9、蒸氣發(fā)射率 的圖線。圖8-21則是其修正系數 。,水蒸氣的發(fā)射率為：,圖8-20,圖8-21 修正系數,對于CO2:,圖8-22,圖8-23 修正系數,同時有水蒸氣和二氧化碳時,氣體的總發(fā)射率按下式計算:,§9-4 氣體輻射的特點及計算,2.氣體的吸收比αg,式中修正系數 和 與發(fā)射率公式中的處理方法相同，而 ， 和 的確定可

10、以采用下面的經驗公式,五、氣體與包壁的輻射傳熱,§9-4 氣體輻射的特點及計算,1.氣體與黑體外殼之間的輻射換熱公式,故,2.氣體與灰體外殼之間的輻射換熱公式,考慮第一次吸收，輻射傳熱量,例2：在太陽系中，地球和火星距太陽的距離相差不大，但為什么火星表面溫度晝夜變化卻比地球要大得多？,強化輻射換熱的主要途徑：?。?）增加發(fā)射率； （2）增大面積A；?。?）增加角系數。削弱輻射換熱的主要途徑：?。?）降低發(fā)射率

11、；?。?）降低角系數/減小表面A；?。?）加入遮熱板。,§9-5 輻射換熱的強化與削弱,遮熱板是指兩個輻射換熱表面之間插入用以削弱輻射換熱的薄板，其實質相當于降低了表面發(fā)射率。,,,,,,T1ε1 A,T2ε2 A,T3,ε3, A,遮熱板,§9-5 輻射換熱的強化與削弱,,,,,,T1ε1 A,T2ε2 A,T3,ε3, A,遮熱板,加入平板3后：,§9-5 輻射換熱的強化與削弱

12、,,,,,,T1ε1 A,T2ε2 A,T3,ε3, A,沒有遮熱板時：,加入遮熱板后：,如果所有平板的黑度均相同，即ε1=ε2=ε3=ε：,§9-5 輻射換熱的強化與削弱,例3：有兩塊無限大平板，其發(fā)射率分別為0.3和0.8，兩者由于溫度不同進行輻射換熱。若在兩平板之間插入一塊兩面拋光的鋁遮擋板，其發(fā)射率為0.04，求由此引起的輻射換熱降低的百分率。,,,,0.04,,,,0.04,解：未加入遮熱板前：,加遮熱板后

13、：,輻射換熱降低的百分率：,例4：在兩塊平行放置的相距很近的大平板1與2中插入一塊很薄且兩個表面黑度不等的第三塊平板。已知t1=300℃，t2=100℃，ε1=0.5，ε2=0.8，當板3的A面朝向表面1時，板3的溫度為170℃，當板3的B面朝向表面1時，穩(wěn)態(tài)時板3的溫度為260℃。試確定表面A、B各自的黑度（精確到2位有效數字），并說說不同放置方式對散熱損失有無影響？,,,,1 3 2,A B,已知t1=300℃，t2=10

14、0℃，ε1=0.5，ε2=0.8，當3的A→1時，板3的溫度為170℃，當3的B→1時，板3穩(wěn)態(tài)時的溫度為260℃。確定ε3A、ε3B,,,,1 3 2,A B,A→1時，板3的溫度為170℃:,B→1時：,,同理：,說說不同放置方式對散熱損失有無影響？,A→1時，t3=170℃;,,,,1 3 2,t1=300℃ε1=0.5,t2=100℃ε2=0.8,A B,B→1時，t3=260℃,例4:如圖所示，兩漫灰同心圓

15、球殼之間插入一通信輻射遮熱球殼，試問遮熱球殼靠近外球殼還是靠近內球殼時，球殼1和球殼2表面之間的輻射散熱量越大？,,,,1,2,i,,,,,1,2,i,,,,,遮熱球殼靠近外球殼還是靠近內球殼時，球殼1和球殼2表面之間的輻射散熱量越大？,Ai↑,遮熱板的應用舉例：,對儲存液氮、液氧等容器，為了提高保溫效果，采用多層平壁并抽真空。遮熱板用塑料薄膜制成，,（1）儲存液態(tài)氣體的低溫容器；,其上涂以反射比很大的金屬箔層。箔層厚度約0.01～0.

16、05ｍｍ，箔間嵌以質輕且導熱系數小的材料作分隔層，絕熱層中抽成高度真空。,§9-5 輻射換熱的強化與削弱,（2）超級隔熱油管,石油在地層下數千米，粘度大，開采時需注射高溫高壓蒸汽使其粘度降低。為減少蒸汽散熱損失，可采用類似低溫保溫容器的多層遮熱板并抽真空。,,,,,內管注蒸汽,外管,,,,,,間隔材料,,§9-5 輻射換熱的強化與削弱,浮式液化天然氣(FLNG)系統(tǒng)是由船與儲氣船裝置組成,熱平衡時，熱電偶指示溫度

17、必低于/高于氣體的真實溫度。使用遮熱罩抽氣式熱電偶，熱電偶在遮熱罩保護下輻射散熱減少，抽氣作用可增加對流換熱，使測量誤差減少。,（3）提高溫度測量的準確度,為使遮熱罩能對熱電偶有效地起屏蔽作用，s/d應大于2~2.2。,§9-5 輻射換熱的強化與削弱,,,,,,既有表面輻射傳熱又有對流傳熱的現象統(tǒng)稱表面?zhèn)鳠帷挝粋鳠崦娴目倐鳠釤崃髅芏葹椋?hr——輻射傳熱系數，,h=hr+hc:(復合傳熱)表面?zhèn)鳠嵯禂?§ 9-

18、6 綜合傳熱問題分析,關于復合換熱的幾點說明：,（1）在需要輻射換熱表面?zhèn)鳠嵯禂礹r的場合，應先從輻射換熱公式中計算出輻射換熱量Φr，然后按上式得出hr；（2 ）工程計算中輻射和對流常常同時存在，尤其是在以空氣等氣體作為對流介質的場合。在常溫狀態(tài)下，輻射散熱量常與自然對流散熱量處于同一數量級；（3）在熱阻分析及對傳熱系數k進行計算時，如果某一側同時存在輻射與對流，其表面?zhèn)鳠嵯禂礹應為復合換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?。?）在導熱問題的第三

19、類邊界條件及用集總參數法研究導熱問題時，如果導熱邊界條件是復合換熱情形，則表面?zhèn)鳠嵯禂低瑯右脧秃蠐Q熱表面?zhèn)鳠嵯禂怠?§ 9-6 綜合傳熱問題分析,室內：（無風，熱力管道及設備，tw=0~150℃）,式中：tw——管子或設備與空氣接觸的外表面的 平均溫度，℃； t0——環(huán)境溫度，一般取室溫，℃。,室外：,式中：ω——垂直于管道的風速，m/s；,例6：邊長

20、為1.2m的水平放置的太陽能集熱器，吸熱表面的發(fā)射率為ε＝0.25，對太陽能的吸收比αs＝0.95。當太陽的投入輻射為Gs＝850W/m2時，測得吸熱表面溫度為95℃。此時環(huán)境溫度為25℃，天空可視為23K的黑體。設吸熱表面直接暴露在空氣中，其上無夾層。若定義集熱器效率為集熱器所吸收的凈太陽輻射能與太陽投入輻射之比。試確定該集熱器的效率。,ε＝0.25，αs＝0.95。Gs＝850W/m2時，t=95℃。tf=25℃，T2=23K的黑體

21、。,,1.2m×1.2m,,Gs＝850W/m2,ε＝0.25，αs＝0.95, t=95℃,tf=25℃,T2=23K，α2=1,若定義集熱器效率為集熱器所吸收的凈太陽輻射能與太陽投入輻射之比。確定該集熱器的效率。,ε＝0.25，αs＝0.95。Gs＝850W/m2時，t=95℃。tf=25℃，T2=23K的黑體。,解：集熱器所吸收的投入太陽能為：,Ф吸=αsAGs =0.95×1.22× 850=11