第八章-辐射换热的计算-3

即辐射量减少为原来的一半。可以设想，若加入n 即辐射量减少为原来的一半。可以设想，若加入n块 1 发射率相同的遮热板， 发射率相同的遮热板，则热量将减少为原来 即
1 (q1, 2 ) N = (q1, 2 ) 0 N +1
n + 1
其中，（ 为无防辐射屏时的辐射换热速率。 其中，（q1,2）0 为无防辐射屏时的辐射换热速率。 ，（
tw t3 d t1 s
（三）气体辐射
3-1：气体辐射的特点 ： (a) 固体表面的辐射和吸收光谱具有连续性，但气体的 固体表面的辐射和吸收光谱具有连续性， 辐射和吸收具有明显选择性； 辐射和吸收具有明显选择性 ； 只能辐射和吸收某一定 波长范围内的能量。 波长范围内的能量 。 利用这一性质可制成谱带分析仪 ，分析物质的成份； 分析物质的成份； (b) 对于某一投射辐射，只存在吸收和透射；α＋τ＝1 对于某一投射辐射，只存在吸收和透射； (c) 气体的吸收和辐射在整个气体空间中进行，而固体 气体的吸收和辐射在整个气体空间中进行， 的辐射和吸收则仅在很薄的表面层中进行。 的辐射和吸收则仅在很薄的表面层中进行 。 气体对辐 射的吸收与气体的温度、气体分压和辐射层厚度 有关 射的吸收与气体的温度、气体分压和辐射层厚度S有关
（一）封闭空腔中诸灰表面间的辐射换热
对于多个表面组成的封闭空腔， 对于多个表面组成的封闭空腔 ， 采用网络法计算不方 可以从能量平衡法入手进行分析。 便，可以从能量平衡法入手进行分析。 考察如图所示的封闭空腔内诸表面间的换热： 考察如图所示的封闭空腔内诸表面间的换热： (a)从包括 i (a) 从包括i 在内的所有表面 从包括 到达i 到达i表面的总辐射热流
ελ = 1− e
− K λ ⋅ P ⋅S
对于燃烧产生的烟气，考虑到其成分主要是 对于燃烧产生的烟气，考虑到其成分主要是CO2和 H2O其混合气体的发射率可用下式表示 其混合气体的发射率可用下式表示
ε g = ε CO + ε H O − ∆ε
2 2
（四）火焰辐射
燃烧火焰一般可分为三种类型： 燃烧火焰一般可分为三种类型 ： （ 1） 不发光火焰 ） ；（2）半发光火焰；和（3）发光火焰 ）半发光火焰； ） 天然气、液化石油气燃烧时为不发光火焰， 天然气、液化石油气燃烧时为不发光火焰，辐射来 自燃烧产物CO2和H2O气体； 气体； 自燃烧产物 气体 低挥发分固体粉状燃料（如无烟煤粉）燃烧时为半 低挥发分固体粉状燃料（如无烟煤粉） 发光火焰，辐射来自燃烧产物CO2和H2O气体和焦 发光火焰，辐射来自燃烧产物 气体和焦 炭粒子； 炭粒子； 液体燃料和高挥发分固体燃料燃烧为发光火焰， 液体燃料和高挥发分固体燃料燃烧为发光火焰 ， 其 辐射主要来自碳黑粒子。 辐射主要来自碳黑粒子 。 发光火焰的辐射和吸收光 谱是连续的，发射率ε 近似为1，可视为黑体； 谱是连续的，发射率εg近似为 ，可视为黑体；
α λ = f (T , P, S )
3-2：气体吸收定律 ： 处的单色辐射强度为I 在经过x距离后 距离后， 设x=0处的单色辐射强度为 λ, 在经过 距离后，发生在 处的单色辐射强度为 厚度为 dx的无限小薄层的衰减量为 的无限小薄层的衰减量为
dI λ ( x ) = − K λ I λ , x dx
第八章 辐射换热计算
本节内容： 本节内容：
(1)封闭空腔中诸灰表面间的辐射换热； 封闭空腔中诸灰表面间的辐射换热； (2)辐射换热的强化与削弱； 辐射换热的强化与削弱； (3)气体辐射； 气体辐射； (4) 火焰辐射
假设： 假设：
把参与辐射换热的有关表面视作一个封闭腔， (1)把参与辐射换热的有关表面视作一个封闭腔，表面 间的开口设想为具有黑表面的假想面； 间的开口设想为具有黑表面的假想面； (2)进行辐射换热的物体表面之间是不参与辐射的透明 介质(如单原子或具有对称分子结构的双原子气体、 介质(如单原子或具有对称分子结构的双原子气体、空 气)或真空； 或真空； 参与辐射换热的物体表面都是漫射(漫发射、 (3) 参与辐射换热的物体表面都是漫射 ( 漫发射 、 漫反 灰体或黑体表面； 射)灰体或黑体表面； (4)每个表面的温度、辐射特性及投入辐射分布均匀。 每个表面的温度、辐射特性及投入辐射分布均匀。
图解表示为
对于已知表面的净辐射 热流而温度未知的情况
Qi = ∑
n
Ji − J j
( Fi X i , j ) −1 j =1
（二）辐射换热的强化与削弱－防辐射屏 辐射换热的强化与削弱－
减少表面间辐射换热最有效的方法是采用高反射比 的表面涂层，或者在辐射表面之间加设防辐射屏。 的表面涂层，或者在辐射表面之间加设防辐射屏。 如果在两个进行辐射换热的漫灰表面之间 再放置一个不透明的漫灰表面， 再放置一个不透明的漫灰表面，此时由于 这第三个表面的存在而使原有两表面之间 的辐射换热量大为减少。 的辐射换热量大为减少。这是由于第三个 表面对辐射能的屏蔽作用造成的。 表面对辐射能的屏蔽作用造成的。因而称 之为辐射屏 辐射屏。 之为辐射屏。
Fi Gi = ∑ F j J j X ji
j =1
n
而 于是
F j X j ,i = Fi X i , j
Fi Gi = ∑ Fi X i , j J j
j =1 n
即
Gi = ∑ X i , j J j
j =1
n
于是，离开i 于是，离开i表面的净辐射热流为
Qi = Fi ( J i − Gi ) = Fi ( J i − ∑ X i , j J j )
遮热板的几个应用： 遮热板的几个应用：
（1）在汽轮机中用于减少内、 在汽轮机中用于减少内、 外套管间的辐射换热量。 外套管间的辐射换热量。
（2）应用于储存液态气体的低温容器。 应用于储存液态气体的低温容器。
对储存液氮、液氧等容器，为了提高保温效果， 对储存液氮、液氧等容器，为了提高保温效果，采 用多层屏壁并抽真空。遮热板用塑料簿膜制成， 用多层屏壁并抽真空。遮热板用塑料簿膜制成，其 上涂以反射比很大的金属箔层。箔层厚度约0.01上涂以反射比很大的金属箔层。箔层厚度约0.010.01 0.05mm,箔间嵌以质轻且导热系数小的材料作分隔层 箔间嵌以质轻且导热系数小的材料作分隔层， 0.05mm,箔间嵌以质轻且导热系数小的材料作分隔层， 绝热层中抽成高度真空。 绝热层中抽成高度真空。 据实测，冷壁 据实测，冷壁20~80K，外壁 ，外壁300K时，在垂直于遮热 时 板方向上的等效导热系数可低达5~10×105W/(m·K) 板方向上的等效导热系数可低达 × ，导热热阻可达常温下空气的几百倍，有超级绝热 导热热阻可达常温下空气的几百倍， 材料之称。 材料之称。
例1：平板型太阳能集热器的吸热表面对太阳辐射的吸
收率为0.92，表面发射率为 ，表面发射率为0.15，集热器表面积是 收率为 ，集热器表面积是20m2 表面温度为80℃ 周围空气温度为 周围空气温度为18℃ ，表面温度为 ℃,周围空气温度为 ℃，表面对流换 热系数为3W/m2K， 当集热器表面的太阳总辐射强度 热系数为 ， 天空温度为0℃ 为800W/m2，天空温度为 ℃时，试计算该集热器可利 用的太阳能辐射热和它的效率。 用的太阳能辐射热和它的效率。 分析：太阳能辐射效率＝ 可利用的太阳能辐射） 分析 ： 太阳能辐射效率 ＝ （ 可利用的太阳能辐射 ） / 太阳照射） （太阳照射） 可利用的太阳能辐射＝ 太阳辐射得热＋ 可利用的太阳能辐射 ＝ （ 太阳辐射得热 ＋ 天空辐射 得热） 对流失热＋表面辐射失热） 得热）－（对流失热＋表面辐射失热）
j =1
n
而由角系数的完整性， 而由角系数的完整性，又有
n n
J i = J i × 1 = J i × ∑ X i, j
j =1
n
n
于是得 即
Qi = Fi (∑ X i , j J i − ∑ X i , j J j ) = Fi ∑ X i , j ( J i − J j )
j =1 j =1 j =1
分离变量并在整个辐射（吸收）层内积分， 分离变量并在整个辐射（吸收）层内积分，有
Iλ ,s
∫
Iλ ,0
dI λ , x I λ,x
s
= − K λ ∫ dx
0
即，
I λ ,S = I λ ,0 e
− Kλ S
此为Beer定律 ， 为描述气体吸收的基本定律 ， 反 定律， 为描述气体吸收的基本定律， 此为 定律 映气体穿透辐射的指数衰减规律。 映气体穿透辐射的指数衰减规律。
在热平衡时， 热电偶温度不再变化， 在热平衡时 ， 热电偶温度不再变化 ， 此温度为指示 温度， 它必低于气体的真实温度。 温度 ， 它必低于气体的真实温度 。 使用遮热罩抽气 式热电偶时， 式热电偶时 ， 热电偶在遮热罩保护下辐射散热减少 抽气作用可增加对流换热，使测温误差减少。 ，抽气作用可增加对流换热，使测温误差减少。 为使遮热罩能对热电偶有效地 起屏蔽作用， 应大于 应大于2~2.2。 起屏蔽作用 ， s/d应大于 。 书中例题8-9和 表明， 书中例题 和 8-10表明 ， 裸露 表明 时测温误差高达20.7%，用单层 时测温误差高达 ， 遮热罩抽气式时误差降为4.9%. 遮热罩抽气式时误差降为
− K λ ⋅S
如果按气体发射辐射的定义来确定气体发射率， 如果按气体发射辐射的定义来确定气体发射率 ， 则 有 ∞
εg =
Eg
σ b Tg
4
∫ ε λ E λ dλ = =
b
(1 − e − K λ ⋅S ) Ebλ dλ ∫
0
σ b Tg
4
σ b Tg
4
影响气体发射率的因素有 （1）气体温度 g； ）气体温度T 计算） （2）光射线平均行程 （一般根据 ）光射线平均行程S（一般根据S=3.6V/F计算） 计算 （3）气体分压及气体所处总压。 ）气体分压及气体所处总压。 考虑到压强对发射率的影响， 考虑到压强对发射率的影响，可把发射率改写为
（3）用于超级隔热油管 ）
石油在地层下数千米， 石油在地层下数千米，粘度 大，开采时需注射高温高压 蒸汽使其粘度降低。 蒸汽使其粘度降低。为减少 蒸汽散热损失， 蒸汽散热损失，可采用类似 低温保温容器的多层遮热板 并抽真空。 并抽真空。
间隔材料
外管
内管 注蒸汽
（4）用于提高温度测量的准确度 ）
如果使用裸露热电偶测量高温气流的温度，高温 如果使用裸露热电偶测量高温气流的温度， 气流以对流方式把热量传给热电偶， 气流以对流方式把热量传给热电偶，同时热电偶又 以辐射方式把热量传给温度较低的容器壁。 以辐射方式把热量传给温度较低的容器壁。
定义气体的透过率为 则对于气体， 则对于气体，有
τλ =
I λ ,S I λ ,0
= e − K λ ⋅S
− K λ ⋅S
α = 1− e
若认为对于气体，基尔霍夫定律仍然有效， 若认为对于气体，基尔霍夫定律仍然有效，则有
ελ = αλ = 1− e
此即为介质的光谱发射率。 此即为介质的光谱发射率。
Qi = ∑ Qi , j
j =1
n
上式表明， 表面i 的净辐射热流Q 上式表明 ， 表面 i 的净辐射热流 Qi 可表示为它对其它 各个表面进行辐射换热的各个净辐射热流分量Q 各个表面进行辐射换热的各个净辐射热流分量 Qi,j 之 和。
于是，节点i 于是，节点i的有效辐射通用表达式可写为
n Ji − J j Ebi − J i =∑ 1− εi ( Fi X i , j ) −1 j =1 ε i Fi
ε1
ε3Baidu Nhomakorabea
ε2
T1
T3
T2
而加入遮热屏后，稳态时， 而加入遮热屏后，稳态时，由两平面 的辐射热平衡有： 的辐射热平衡有： σ0 A(T 4 −T34 ) σ0 A(T34 −T24 ) 1 Q = =Q = 13 32 1 ε1 +1 ε3 −1 1 ε3 +1 ε2 −1
σ0 A(T 4 −T24 ) 1 Q′ = 12 于是 1 ε1 + 2 ε3 +1 ε2 − 2 ε1 = ε2 = ε3 = ε 如果所有平板的黑度均相同， 如果所有平板的黑度均相同，即 σ0 A(T14 −T24 ) 1 Q′ = = Q 12 12 于是 2(1 ε +1 ε −1) 2
ε1 ε3
ε2
T1
T3 T2
已知两平板的温度 各自均匀分布， 各自均匀分布，且 分别等于T 分别等于 1和T2， 它们的黑度分别为 ε1和ε2。此时在两平 板之间平行放入一 个平板3， 个平板 ，其黑度为 ε3，那么平板 就成 那么平板3就成 为一块辐射屏。 为一块辐射屏。 辐射屏
没有遮热屏时， 没有遮热屏时，由两平面的辐射热平 衡有： 衡有： σ0 A(T14 −T24 ) Q = 12 1 ε1 +1 ε2 −1