第十五章辐射换热

，
，
所以
Q1 Eb1 J1
1 1 1F1
，Q2 Eb2 J2
12 2 F2
，
Q3 Eb3 J3
13 3 F3
，Q12 J1 J2
1
12 F1
，
Q13 J1 J3
1
13 F1
，Q23 J2 J3
1
23 F2
3
11
13F1 31F3
Eb3
13
3F3
' 12
Eb1 Eb2
2
2
1
2
1
q'12
1 2
q12
1
加 n 层隔热屏后，热通量降至原来的 n 1
隔热屏黑度越小，隔热效果越好。
〔例题15-6〕 黑度 1 0.3和 2 0.8 的两块 平行大平板之间进行辐射换热，当它们中间 设置一块3 0.04的磨光铝制品隔热屏后，试 问辐射换热量减少多少？
试比oC较钢坯温度在2000 和1000oC 时，钢oC坯上表 面由于辐射和对流造成的单位面积的热损失。
〔例题15-2〕角系数，求证如图所示的角系数为：
P12
F5
F6 F3 2F1
F4
〔例题15-2〕示意图
两表面间的辐射换热
有效辐射的概念：
J Eb RG
式中
J －有效辐射； Eb－自身辐射； R －反射率； G －投射辐射。
Q12 J1 J2 12F1 J1 J2 21F2
即
Q12
Eb1 Eb 2
1 1 1F1
Req
12 2 F2
1
1
Req 1 1 1
12 13F1 23F2
〔例题15-5〕有一炉顶隔焰加热熔锌炉， 炉顶被煤气燃烧加热到 900oC ,熔池液态锌温 度保持 600oC,炉膛空间高0.5m。炉顶为碳化硅 砖砌成，设炉顶面积 F1与熔池面积 F2 相等， 为 3.81m2，已知碳化硅砖的黑度1 0.85，熔锌 表面黑度2 0.2。假定炉墙散热损失可忽略，
气体辐射
气体辐射特点： （1）分子结构决定了辐射和吸收的能力。
单分子、对称双原子气体：无辐射、无 吸收，故称透明体。 异极性气体 （非对称双原子、多原子。 例如：H2O 、CO2 、CO 、SO2 ）有辐射、吸 收。 （2）对波长的选择性。
（3）体积辐射（吸收）
吸收率：Ag f Tg , S, P
1
Q Eb J
1 F
式中 F－面积
表面热阻为：1 F
空间单元：两表面构成封闭空间时，两
者之间的辐射换热量。
Q12 J1 J2 12F1 或 Q12 J1 J2
1
12 F1
1
空间热阻为：12 F1
两表面间的辐射换热：
Q12 Eb1 Eb2
1 1 1 1 2 1F1 12 F1 2 F2
两个大平行平板对一侧：s 1.8L L－板间距
立方体对整个表面：s 0.6L L－边长
一般对整个表面：s 0.9 4V 3.6 V
F
F
气体的吸收率： A 在同一温度下，对同一温
度的热辐射，当 Tg 和 T 不同时， gTg ，AgT 不一 定相等。一般修正为：
ACO2
' CO2
Tg
1 A
1 q
可得
Jg
g
Ag
Ebg
1 Ag
1 qg
J
A
Eb
1 A
1 q
稳态下有：qg q qg
所以
qg
Jg
J
g
Ebg
Ag
1 Ag
1 qg
Eb A
1 A
1 qg
qg
1
1 1
1
g
Ag
Ebg
A
Eb
Ag A
又 A
所以 qg
1
1 1
1
g
Ag
Ebg Eb
T
0.65
AH2O
' H2O
Tg
பைடு நூலகம்
T
0.45
ASO2
' SO2
Tg
T
0.5
火焰辐射
暗焰：不发光火焰，气体燃料完全燃烧，烟气 主要是CO2 和 H2O，火焰略带蓝色或无 色，按气体辐射计算。
辉焰：发光火焰，液体或固体燃料的不完全燃 烧，烟气中除气体外还有碳粒、灰尘
等固相，火焰光亮。实验测定 和 A 。
。由于铸件1 凝0.4固收2 缩0.，8
铸型受热膨胀，在铸件和铸型之间形成气隙，
若气隙中的气体为透射气体，试求此时铸件和
铸型之间的辐射换热量。
〔例题15-4〕用裸露热电偶测量热风管内的 热风温度，已知热电偶指示温度 t1 538，oC 热电 偶的表面黑度为0.7，管壁内表面温度t2 260oC ， 热风与热电偶接点间的给热系数 116W / m2 o C，试 求热风真实温度 t f 。
之和为零。 对于辐射换热：流入任一节点的热流之和为
零。
J1 点：
Eb1 J1
1 1
J2
1
J1
J3
1
J1
0
1F1
12 F1
13 F1
J2
点：
Eb2 J2
12
J1
J2 1
J2
1
J3
0
2 F2
12 F1 23F2
J3
点：
Eb3
1
J3
3
J1 J3 1
J2
1
J3
0
3 F3
13F1 23F2
关于有效辐射
对于任一表面： Eb自由辐射；
G 投射辐射； AG 吸收辐射；
RG 反射辐射。
有效辐射为：J Eb RG Eb 1 AG
（不透明体）
净辐射: 从表面看 从内部看
q J G
q E A，G E Eb
两式合并，消去
G
得：J
G
E
AG
G
J Eb
1 A
所以
q J J Eb
3.5
EH2O
4.03
p0.8 H2O
s
0.6
Tg 3
100
考虑四次分定律的应用，则气体的黑度应表示
为： g f pg , s,Tg
但一般表示成：g f pg s,Tg
并将数据做成图表供查询。
对 H2O，由于 pH2O 和 s的指数不同，如果按相同
处理需要加一个修正系数。
Ag
Qg
1
C0 1
1
g
Ag
Tg
100
4
T 100
4
F
Ag
〔例题15-8〕在直径为2.4m 、10m长为的
烟道中，有温度为1030o C，总压力为1bar 的烟
气通过。若烟道壁温为530o C，烟气中含有
10%的 CO2、13%的H2O，其余为不辐射气体， 试求烟气的黑度和吸收率。
32 23 2
1 1 1
1 31
1 32
1
12
1F1
12 F1
31 F3
32 F3
23 F2
2 F2
1
Eb1
J1
J 31
Eb3
J 32
J2
2
Eb2
两大平板间有一块隔热屏时的辐射换热网络
为了便于比较, 令 1 2 31 32 且13 23 1
q12 Eb1 Eb2
q
气体与围壁表面间的辐射换热 固体表面与围壁表面间的辐射换热＝自身 辐射＋投射之反射
气体有效辐射＝自身辐射＋投射之透射
Jg g Ebg DgGg g Ebg 1 Ag Gg g Ebg 1 Ag J
对于气体来说，净辐射换热通量为：
qg J g Gg J g J
由
J
A
Eb
S －射线行程 P －压强 气体吸收定律－贝尔定律 单色辐射强度为 Ix 的热辐射通过 dx 厚的气体 的衰减量为：dIx K Ixdx 式中 K－单色吸收系数1 m。
积分得： dI Is
x
I I 0
x
K
s
dx
0
Is
I0 eK s
Is I0
eK s
D eK s－透射率
又因为气体无反射，故其吸收率为：
4
T Tf －辐射给热系数。
Q hR hC T Tf F h T Tf F
式中 h hR hC －总给热系数
求炉顶与熔池的辐射换热量。
表面间有隔热屏时的辐射换热
考虑两个平行表面：
（1）无隔热屏时 ：q12 Q12
F Eb1 Eb2
1
1
1
2
1
条件为：12 21 1；F1 F2 F
（2）有一层隔热屏时：
q'
Q12 F
1 1
1
Eb1 Eb2
1 31 1 32
1
1 2
1 13 31
本章主要内容：
黑体辐射定律 两表面间的辐射换热 辐射换热的网络方法 气体辐射 火焰辐射 辐射给热系数
黑体辐射定律
1.黑体的辐射定律：Eb bT 4
2.黑度：
E ，E
Eb
Eb
bT 4
3.基尔霍夫定律： A E
Eb
〔例题15-1〕 有一水平放置的钢坯，长为1.5 ，
宽为m0.5 ，黑度m=0.6，周围环境温度为200 。
若 0.8，烟气和烟道之间的辐射换热速率？
辐射给热系数
对流和辐射同时存在： Q QR QC 其中
QC hc t t f F
式中
QR
C0
T 100
4
Tf 100
4
F
hc－对流给热系数。
QR hR T Tf F
式中
hR
C0
T 100
4
Tf 100
有效辐射示意图
两表面构成封闭空间时：
Q12
b
12
1
1
1
1
21
1
2
1
T
4 1
T24
12 F1
W J/S
〔例题15-3〕在金属铸型中浇铸平板铝铸件，
已知平板铝铸件的长、宽分别为 及200mm ，
铸件30和0m铸m型的表面温度分为
， 。黑
度分t1 别500为oC t2 327、o C
分子分母同乘以 12F1，且考虑到 12F1 21F2 和
Eb T 4
所以
Q12
12
1
1
1
1 21
1
2
1
T
4 1
T24
12 F1
1
2
Eb1
1 1 1F1
1
J1 12 F1
J2
12 2 F2
Eb2
两灰表面间的辐射换热网络
三表面间的辐射换热： 电学的克希霍夫定律：流入任一节点的电流
A 1 D 1 eK s
考虑基尔霍夫定律： A 1 eK s S , A 当 S 时 A 1。 大空间可视为黑体。
气体的黑度与吸收率
（1）气体的黑度 气体辐射力：Eg
g
C0
Tg 100
4
g
Eg Eb
实测数据表明：
ECO2
4.03(
pCO2
s)1/
3
Tg 100
1 A
或
J
A
Eb
1 A
1 q
又 A
所以
J
Eb
1
1 q
q
Eb J
1
辐射换热的网络方法
导热热阻：q T s
s
－导热比热阻
对流热阻：q T 1
h
1 －对流比热阻
h
所以 热通量＝温差/热阻（比） 热流量＝温差/热阻
对于辐射换热：热流量＝辐射势差/热阻
基本网络单元
表面单元：
q Eb J
J3
1
1
23F2 32 F3
1 1 J1 1F1
Eb1
11
12 F1 21F2
J2 12 2 F2
Eb2
1
2
三个灰表面间辐射换热的网络
重辐射表面：（全反射面，白表面） 绝热面：吸收与辐射相等，净辐射为零。 即 E AG且 A 1 同时 J G 此时，网络变成一串一并等效电路。 F1与 F2 间的环热量为：
f pH2O s, pH2O
即 '
H2O
H2O
' 为按 H2O
pg s 查到的 H2O的黑度。
对于混合气体：g
' CO2
'
H2O
关于射线行程 s ：
球体内气体对球内表面：s 0.60D
长圆柱对侧面： s 0.90D
高、径相等的圆柱对整个侧面：s 0.60D
高、径相等的圆柱对底面中心：s 0.77D