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1、第九章辐射传热的计算第1页，本讲稿共26页1)进行辐射换热的物体表面之间是不参与辐射进行辐射换热的物体表面之间是不参与辐射的介质的介质(如单原子或具有对称分子结构的双原子如单原子或具有对称分子结构的双原子气体、空气或真空气体、空气或真空)；2)参与辐射换热的物体表面都是参与辐射换热的物体表面都是漫射漫射（漫发射、（漫发射、漫反射）漫反射）灰体或黑体灰体或黑体表面；表面；3)每个表面的温度、辐射特性及投入辐射分布每个表面的温度、辐射特性及投入辐射分布均匀。均匀。为了使辐射换热的计算简化，引入如下假设：为了使辐射换热的计算简化，引入如下假设：第2页，本讲稿共26页9.1 辐射传热的角系数辐射传热的
2、角系数 物体间的辐射换热与物体间的辐射换热与物体表面的几何形状、大小及相对位置物体表面的几何形状、大小及相对位置有关，有关，角系数是反映这些几何因素对辐射换热影响的重要参数。角系数是反映这些几何因素对辐射换热影响的重要参数。1.1.角系数的定义角系数的定义 两个任意位置的表面两个任意位置的表面1 1、2,2,从从表面表面1 1发出（自身发射与反射）的发出（自身发射与反射）的总辐射能中直接投射到表面总辐射能中直接投射到表面2 2上的上的辐射能占总辐射能的百分数称为辐射能占总辐射能的百分数称为表表面面1 1对表面对表面2 2的角系数，用符号的角系数，用符号 表示。表示。第3页，本讲稿共26页(1)
3、1)角系数的相对性角系数的相对性：即任意两个表面之间的角系数不是独立的，而是受上述即任意两个表面之间的角系数不是独立的，而是受上述关系制约。关系制约。(2)(2)角系数与温度无关，它完全取决于几何关系角系数与温度无关，它完全取决于几何关系。(3)(3)角系数的完整性角系数的完整性：对于平面或凸面组成的封闭系统，根据：对于平面或凸面组成的封闭系统，根据能量守恒原理，从其中任何一个表面发射的辐射能必全部落能量守恒原理，从其中任何一个表面发射的辐射能必全部落到其它表面上，因而其中任一表面对其余各表面的角系数之到其它表面上，因而其中任一表面对其余各表面的角系数之间存在下列关系：间存在下列关系：(4)角
4、系数的可加性角系数的可加性：角系数的三个特性：角系数的三个特性：第4页，本讲稿共26页利用角系数计算黑体间的辐射换热利用角系数计算黑体间的辐射换热 落在黑体表面上的能量被全部吸收，所落在黑体表面上的能量被全部吸收，所以任意两个黑体表面间的换热量为：以任意两个黑体表面间的换热量为：角系数角系数第5页，本讲稿共26页角系数的计算方法：角系数的计算方法：(1)(1)积分法积分法(2)(2)代数法代数法根据角系数积分表达式通过积分运算求得角系数根据角系数积分表达式通过积分运算求得角系数 工程上为计算方便工程上为计算方便,已将常见几何系统的已将常见几何系统的角系数计算结果用公式或线算图的形式给出。角系数
5、计算结果用公式或线算图的形式给出。第6页，本讲稿共26页黑体间的辐射换热及角系数黑体间的辐射换热及角系数平行的长方形表面间平行的长方形表面间的角系数线算图的角系数线算图 第7页，本讲稿共26页黑体间的辐射换热及角系数黑体间的辐射换热及角系数相互垂直的两长方形表面相互垂直的两长方形表面间的角系数线算图间的角系数线算图 第8页，本讲稿共26页黑体间的辐射换热及角系数黑体间的辐射换热及角系数平行的同心圆形表面间平行的同心圆形表面间的角系数线算图的角系数线算图 第9页，本讲稿共26页角系数的计算方法角系数的计算方法2 2：代数法：代数法三个非凹表面组成的封闭辐射系统三个非凹表面组成的封闭辐射系统 利用
6、角系数的定义及性质利用角系数的定义及性质,通过代数运算确定角系数的方法。通过代数运算确定角系数的方法。以三个表面的封闭系统为例说明如何利用代数法确定角系数。以三个表面的封闭系统为例说明如何利用代数法确定角系数。根据角系数的完整性有：根据角系数的完整性有：根据角系数的相对性有：根据角系数的相对性有：第10页，本讲稿共26页黑体间的辐射换热及角系数例题讲解：黑体间的辐射换热及角系数例题讲解：l 例例 试用代数法确定如图所示试用代数法确定如图所示的表面的表面A A1 1和和A A2 2之间的角系数，假之间的角系数，假定垂直于纸面方向上表面的长定垂直于纸面方向上表面的长度是无限延伸的。度是无限延伸的。
7、答案答案例：P404 例9-1 自学第11页，本讲稿共26页9.2 两表面封闭系统的辐射换热两表面封闭系统的辐射换热 1.两黑体表面组成的封闭系统的辐射换热两黑体表面组成的封闭系统的辐射换热两个黑体表面构成的封闭空腔两个黑体表面构成的封闭空腔“封闭腔模型封闭腔模型”两个黑体表面辐射换热量：两个黑体表面辐射换热量：空间辐射换热热阻空间辐射换热热阻第12页，本讲稿共26页 1、2两个封闭黑体表面之间的辐射换热可以用辐射网络图两个封闭黑体表面之间的辐射换热可以用辐射网络图来表示：来表示：空间辐射换热热阻空间辐射换热热阻二个黑体表面构成封闭空腔的辐射换热网络二个黑体表面构成封闭空腔的辐射换热网络 第1
8、3页，本讲稿共26页2.两灰体表面间的辐射换热两灰体表面间的辐射换热 单位时间内投射到单位面积单位时间内投射到单位面积表面上的总辐射能被称为表面上的总辐射能被称为投投入辐射入辐射，记为记为G G；单位时间内离开单位面积表面单位时间内离开单位面积表面的总辐射能为该表面的的总辐射能为该表面的有效有效辐射辐射，记为记为J J。漫射、灰体表面漫射、灰体表面(简称漫灰表面简称漫灰表面)1）灰体表面的）灰体表面的吸收比小于吸收比小于1；2)灰体表面向外发射的辐射能除了灰体表面向外发射的辐射能除了自身辐射自身辐射还包含还包含反射辐射反射辐射；两灰体表面间的辐射换热不同于黑体，比较复杂两灰体表面间的辐射换热不
9、同于黑体，比较复杂：“有效辐射有效辐射”定义：定义：第14页，本讲稿共26页根据有效辐射的定义有：根据有效辐射的定义有：根据表面的辐射平衡根据表面的辐射平衡,单位面积的辐单位面积的辐射换热量应该等于有效辐射与投入辐射换热量应该等于有效辐射与投入辐射之差，即有：射之差，即有：漫灰表面漫灰表面表面辐射热阻表面辐射热阻第15页，本讲稿共26页 两个漫灰表面构成的封闭空腔中的辐射换热计算：两个漫灰表面构成的封闭空腔中的辐射换热计算：两个漫灰表面构成的封闭空腔两个漫灰表面构成的封闭空腔 两个漫灰表面两个漫灰表面1、2构成一个封构成一个封闭闭腔腔,如如图图所示，并假所示，并假设设 表面表面1净损净损失的失
10、的热热量量为为:表面表面2净获净获得的得的热热量量为为:表面表面1、2之之间净辐间净辐射射换热换热量量为为:第16页，本讲稿共26页两个漫灰表面构成封闭空腔的辐射网络两个漫灰表面构成封闭空腔的辐射网络 称为系统黑度系统黑度 第17页，本讲稿共26页三个灰体间的辐射换热网络三个灰体间的辐射换热网络节点节点1 1节点节点1 1节点节点3 3第18页，本讲稿共26页9.4 9.4 气体辐射气体辐射l气体辐射的特点气体辐射的特点(1)(1)气体的辐射和吸收能力与气体的气体的辐射和吸收能力与气体的分子结构分子结构有关有关(2)(2)气体的辐射和吸收气体的辐射和吸收对波长有明显的选择性对波长有明显的选择性
11、(3)(3)固体及液体的辐射属于表面辐射固体及液体的辐射属于表面辐射,而气体的而气体的辐射和吸收是在整个气体容积中进行的，属于辐射和吸收是在整个气体容积中进行的，属于体积辐射体积辐射。(4)(4)气体的反射率为零气体的反射率为零 第19页，本讲稿共26页气体辐射的特点气体辐射的特点1 1：在工业上常见的温度范围内，单原子气体在工业上常见的温度范围内，单原子气体及空气、及空气、H2、O2、N2等结构对称的双原等结构对称的双原子气体，无发射和吸收辐射的能力可认为子气体，无发射和吸收辐射的能力可认为是透明体。是透明体。CO2、H2O、SO2、CH4和和CO等气体都具等气体都具有辐射的本领。有辐射的本
12、领。例：例：煤和天然气的燃烧产物中常有一定浓度的煤和天然气的燃烧产物中常有一定浓度的CO2和和H2O。高炉煤气主要成分是高炉煤气主要成分是CO、CO2和和N2。第20页，本讲稿共26页气体辐射的特点气体辐射的特点2 2：l 固体和液体的辐射和吸收光谱是连续的，而气体固体和液体的辐射和吸收光谱是连续的，而气体则是间断的。则是间断的。l 气体只能辐射和吸收一定波长范围（称为光气体只能辐射和吸收一定波长范围（称为光带）内的辐射能，在光带以外的波长既不能辐带）内的辐射能，在光带以外的波长既不能辐射也不能吸收。射也不能吸收。l 不同的气体光带范围不同。不同的气体光带范围不同。l 对于光带以外的辐射射线，
13、气体可以看作是对于光带以外的辐射射线，气体可以看作是透明体。透明体。例：大气中的臭氧层能保护人类免受紫外线的伤害大气中的臭氧层能保护人类免受紫外线的伤害 第21页，本讲稿共26页气体辐射的特点气体辐射的特点3:3:l热射线穿过气体层时，辐射能沿途被气体热射线穿过气体层时，辐射能沿途被气体分子吸收而逐渐减弱。其减弱程度取决于分子吸收而逐渐减弱。其减弱程度取决于沿途碰到的气体分子数目，碰到的分子数沿途碰到的气体分子数目，碰到的分子数目越多，被吸收的辐射能也越多。因此气目越多，被吸收的辐射能也越多。因此气体的吸收能力体的吸收能力g g与热射线经历的行程长与热射线经历的行程长度度L L，气体分压力，气
14、体分压力p p和气体温度和气体温度T Tg g等因素有等因素有关。关。第22页，本讲稿共26页气体的发射率与吸收率气体的发射率与吸收率 气体发射率气体发射率:气体发射率主要取决于气体发射率主要取决于气体的种类、气体温度和辐射行程中的气体分气体的种类、气体温度和辐射行程中的气体分子数目子数目。辐射行程中的气体分子数则与气体分压力。辐射行程中的气体分子数则与气体分压力p和射程和射程L有关，有关，即与即与pL乘积成正比乘积成正比。实际计算中，气体的发射率根据实验图表确定。实际计算中，气体的发射率根据实验图表确定。气体的吸收率气体的吸收率:气体的吸收率与气体的吸收率与气体温度以及器壁温度气体温度以及器
15、壁温度都有关，所以不能看做灰体。气都有关，所以不能看做灰体。气体温度和器壁温度相同时，气体的吸收率与它的发射率相等。如果气体温体温度和器壁温度相同时，气体的吸收率与它的发射率相等。如果气体温度不等于器壁温度，则气体的吸收率就不等于它的发射率。度不等于器壁温度，则气体的吸收率就不等于它的发射率。第23页，本讲稿共26页9.5 辐射传热的控制（强化与削弱）辐射传热的控制（强化与削弱）在现代隔热保温技术中，遮热板的应用比在现代隔热保温技术中，遮热板的应用比较广泛。例如：较广泛。例如：炼钢工人的遮热面罩、炼钢工人的遮热面罩、航天器的多层真空舱壁、航天器的多层真空舱壁、低温技术中的多层隔热容器低温技术中
16、的多层隔热容器 测温技术中测温元件的辐射屏蔽等测温技术中测温元件的辐射屏蔽等，遮热板的主要作用遮热板的主要作用就是就是削弱辐射换热削弱辐射换热。遮热板的应用遮热板的应用:第24页，本讲稿共26页遮热板削弱辐射传热的原理遮热板削弱辐射传热的原理以以“两块靠得很近的大平壁间的辐射换热两块靠得很近的大平壁间的辐射换热”为例来说明为例来说明当没有遮热板时，两块平壁间的辐射换热量当没有遮热板时，两块平壁间的辐射换热量：在两块平壁之间加一块大小一样、表面发射率相同的遮热板（忽略导在两块平壁之间加一块大小一样、表面发射率相同的遮热板（忽略导热热阻）热热阻）辐射换热量减少为原来的辐射换热量减少为原来的1/2，即：，即：第25页，本讲稿共26页1）角系数的概念及计算方法；）角系数的概念及计算方法；2）辐射热阻的概念，两封闭表面（黑体、漫灰）间辐）辐射热阻的概念，两封闭表面（黑体、漫灰）间辐射换热的计算及辐射网络图；射换热的计算及辐射网络图；3）遮热板的工作原理；）遮热板的工作原理；本章小结本章小结复习题复习题P445：2.3.8.9.习题习题P449：9-25第26页，本讲稿共26页