辐射换热计算PPT课件.ppt

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1、关于辐射换热的计算第一张，PPT共七十页，创作于2022年6月9-1 -1 角系数的定义、性质及计算角系数的定义、性质及计算 1.1.角系数的定义角系数的定义 两个表面之间的辐射换热量与两个表面之间的相对位置有很大的关系。见两个表面之间的辐射换热量与两个表面之间的相对位置有很大的关系。见下图（下图（9-19-1）。）。图图a a中两表面无限接近，相互间的换热量最大；图中两表面无限接近，相互间的换热量最大；图b b中两表面位于同一平中两表面位于同一平面上，相互间的辐射换热量为零。由图可以看出，两个表面间的相对面上，相互间的辐射换热量为零。由图可以看出，两个表面间的相对位置不同时，一个表面发出而落

2、到另一个表面上的辐射能的百分数随位置不同时，一个表面发出而落到另一个表面上的辐射能的百分数随之而异，从而影响到换热量。之而异，从而影响到换热量。下面介绍角系数的概念及表达式。下面介绍角系数的概念及表达式。第二张，PPT共七十页，创作于2022年6月(1)角角系系数数：有有两两个个表表面面，编编号号为为1和和2，其其间间充充满满透透明明介介质质，我我们们把把表表面面1对对表表面面2的的角角系系数数X1,2定定义义为为：把把表表面面1发发出出的的辐辐射射能能中中落落到到表表面面2上上的的百百分分数称为表面数称为表面1对表面对表面2的角系数，记为的角系数，记为X12。即即同理，也可以定义表面同理，也

3、可以定义表面2对表面对表面1的角系数。的角系数。(9-1)在在讨讨论论角角系系数数时时，我我们们假假设设：所所研研究究的的表表面面是是漫漫射射表表面面，在在所所研研究究表表面面的的不不同同地地点点上上向向外外发发射射的的辐辐射射热热流流密密度度是是均均匀匀的的。因因此此，物物体体的的表表面面温温度度及及黑黑度度的的改改变变只只影影响响到到该该物物体体向向外外发发射射的的辐辐射射能能大大小小而而不不影影响响在在空空间间的的相相对对分分布布，因因而而不不影影响响辐辐射射能能落落到到其其他他表表面面上上的的百百分分数数，于于是是，角角系系数数就就纯纯是是一一个个几几何何因因子子，与与两个表面的温度及

4、黑度没有关系，从而给其计算带来很大的方便。两个表面的温度及黑度没有关系，从而给其计算带来很大的方便。为了讨论的方便，在研究角系数时把物体作为黑体来处理。所得到的结为了讨论的方便，在研究角系数时把物体作为黑体来处理。所得到的结论对于漫灰表面均适合。论对于漫灰表面均适合。第三张，PPT共七十页，创作于2022年6月(2)(2)微元面对微元面的角系数微元面对微元面的角系数 如图如图9-29-2所示，黑体微元面所示，黑体微元面d dA1A1对微元面对微元面d dA2A2的角系数记为的角系数记为X Xd1,d2d1,d2，则根据前面的定义式有，则根据前面的定义式有类似地有类似地有(3)(3)微元面对面的

5、角系数微元面对面的角系数 由角系数的定义可知，微元面由角系数的定义可知，微元面dAdA1 1对面对面A A2 2的的角系数为角系数为图图9-2 9-2 两微元两微元面间的辐射面间的辐射(9-2b)第四张，PPT共七十页，创作于2022年6月(4)(4)面对面的角系数面对面的角系数 面面A A1 1对面对面A A2 2的角系数的角系数X X1,21,2以及面以及面A A2 2对面对面A A1 1的角系数的角系数X X2,12,1分别为分别为微元面微元面dA2dA2对面对面A1A1的角系数则为的角系数则为(9-3a)(9-3b)(9-4a)(9-4b)第五张，PPT共七十页，创作于2022年6月第

6、六张，PPT共七十页，创作于2022年6月2.2.角系数性质角系数性质根据角系数的定义和诸解析式，可导出角系数的代数性质。根据角系数的定义和诸解析式，可导出角系数的代数性质。(1)(1)相对性相对性 由式由式(8-2a)(8-2a)和和(8-2b)(8-2b)可以看出可以看出第七张，PPT共七十页，创作于2022年6月 由式由式(9-4a)(9-4a)和和(9-4b)(9-4b)也可以看出也可以看出 以上性质被称为角系数的以上性质被称为角系数的相对性相对性。第八张，PPT共七十页，创作于2022年6月上式称为角系数的完整性。若表面上式称为角系数的完整性。若表面1 1为非凹表为非凹表面时，面时，

7、X X1,11,1=0=0。值得注意的是，上图中的表面值得注意的是，上图中的表面2 2对表面对表面1 1的角系数不存在上述的可的角系数不存在上述的可加性。加性。图图8-3 角系数的完整性角系数的完整性(2)(2)完整性完整性 对于有对于有n n个表面组成的封闭系统，见图个表面组成的封闭系统，见图9-49-4所示，据能量守恒所示，据能量守恒可得可得:(3)(3)可加性可加性 如图如图9-49-4所示，表面所示，表面2 2可分为可分为2a2a和和2b2b两个面，当然也可以分两个面，当然也可以分 为为n n个面，则角系数的可加性为个面，则角系数的可加性为第九张，PPT共七十页，创作于2022年6月图

8、图9-5 角系数的可加性角系数的可加性如果把表面如果把表面2 2分成若干个小块，则仍有分成若干个小块，则仍有 注意，利用角系数可加性时，只有对角系注意，利用角系数可加性时，只有对角系数符号中第二个角码是可加的，对角系数数符号中第二个角码是可加的，对角系数符号中的第一个角码则不存在类似的关系。符号中的第一个角码则不存在类似的关系。再来看一下再来看一下2 2 对对 1 1 的能量守恒的能量守恒情况情况:由于从表面由于从表面2 2发出落到表面发出落到表面1 1上上的总辐射能，等于从表面的总辐射能，等于从表面2 2的各个的各个组成部分发出而落到表面组成部分发出而落到表面1 1上的辐上的辐射能之和。射能

9、之和。第十张，PPT共七十页，创作于2022年6月3 3 角系数的计算方法角系数的计算方法 求解角系数的方法通常有直接积分法、代数求解角系数的方法通常有直接积分法、代数分析法、几何分析法以及分析法、几何分析法以及Monte-CarloMonte-Carlo法。直接积分法的结果见公式法。直接积分法的结果见公式(9-(9-2)(9-4)2)(9-4)。工程上已将大量几何结构角系数的求解结果绘成图线。工程上已将大量几何结构角系数的求解结果绘成图线。见图见图9 9-7，8，9。下面只给出代数分析法。下面只给出代数分析法。代数法代数法 利用角系数的相对性、完整性及可加性，通过求解代数方程而利用角系数的相

10、对性、完整性及可加性，通过求解代数方程而获得角系数的方法称为代数法。获得角系数的方法称为代数法。三角法三角法由三个表面组成的封闭系统的角系数的计算公式。由三个表面组成的封闭系统的角系数的计算公式。假设由假设由A1A1、A2A2、A3A3三个凸面组成封闭系统（垂直于纸面方向很长，从三个凸面组成封闭系统（垂直于纸面方向很长，从两端开口处逸出的辐射能可忽略不计），据角系数的相对性和完整性两端开口处逸出的辐射能可忽略不计），据角系数的相对性和完整性可得：可得：第十一张，PPT共七十页，创作于2022年6月通过求解这个封闭的方程组，可得所有角通过求解这个封闭的方程组，可得所有角系数，如系数，如X X1,

11、21,2为为:图图9-10 9-10 三个非凹表面三个非凹表面组成的封闭系统组成的封闭系统第十二张，PPT共七十页，创作于2022年6月若系统横截面上三个表面的断面长度分别为若系统横截面上三个表面的断面长度分别为l l1 1，l l2 2和和l l3 3，则上式可写为则上式可写为根据完整性和上面的公式，有根据完整性和上面的公式，有:图图9-11 9-11 两个非凹表面及假两个非凹表面及假想面组成的封闭系统想面组成的封闭系统交交叉叉线线法法 见见图图9-119-11，假假设设两两个个表表面面垂垂直直于于纸纸面面方方向向很很长长，作作辅辅助助线线acac和和bd,bd,组成封闭腔。则有：组成封闭腔

12、。则有：第十三张，PPT共七十页，创作于2022年6月解方程组得解方程组得:该方法又被称为该方法又被称为交叉线法交叉线法。注意：这里所谓的交叉线和不交叉。注意：这里所谓的交叉线和不交叉线都是指虚拟面断面的线，或者说是辅助线线都是指虚拟面断面的线，或者说是辅助线第十四张，PPT共七十页，创作于2022年6月9-2-2 被透明介质隔开的两固体表面间的辐射换热被透明介质隔开的两固体表面间的辐射换热 透热介质指的是不参与热辐射的介质。透热介质指的是不参与热辐射的介质。热辐射是物体以电磁波方式向外界传递能量的过程，在计算任何热辐射是物体以电磁波方式向外界传递能量的过程，在计算任何一个表面与外界之间的辐射

13、换热时，必须把由该表面向空间各个方向一个表面与外界之间的辐射换热时，必须把由该表面向空间各个方向发射出去的辐射能考虑在内，也必须把由空间各个方向投射到该表面发射出去的辐射能考虑在内，也必须把由空间各个方向投射到该表面上的辐射能包括进去。为了确保这一点，计算的对象必须是包括所研上的辐射能包括进去。为了确保这一点，计算的对象必须是包括所研究的表面在内的一个封闭腔。这个辐射换热封闭腔的表面可以全部是究的表面在内的一个封闭腔。这个辐射换热封闭腔的表面可以全部是真实的，也可以部分是虚构的。最简单的封闭腔是两块无限接近的平真实的，也可以部分是虚构的。最简单的封闭腔是两块无限接近的平行平板。本节只讨论由两个

14、表面组成的封闭系统，重点在于灰体表面行平板。本节只讨论由两个表面组成的封闭系统，重点在于灰体表面间辐射换热的计算。间辐射换热的计算。1.两个两个黑体表面间的辐射换热黑体表面间的辐射换热 如图如图9-139-13所示，黑表面所示，黑表面1 1和和2 2之间的辐射换热量为之间的辐射换热量为第十五张，PPT共七十页，创作于2022年6月图图9-13 黑体系统的辐黑体系统的辐射换热射换热由此可见，黑体系统辐射换热量计算关键在于确由此可见，黑体系统辐射换热量计算关键在于确定角系数。定角系数。2 2两个灰体表面间的辐射换热两个灰体表面间的辐射换热 因灰体的吸收率因灰体的吸收率1 1，投入到灰体上的辐射能要

15、经过多次的吸收与，投入到灰体上的辐射能要经过多次的吸收与反射；同时由一个灰体表面向外发射出去的辐射能除了其自身的辐射反射；同时由一个灰体表面向外发射出去的辐射能除了其自身的辐射力外还包括了被反射的辐射能在内。这就给辐射换热的计算增加了不力外还包括了被反射的辐射能在内。这就给辐射换热的计算增加了不少复杂性，为避免计算辐射换热时出现的多次的吸收与反射，引入有少复杂性，为避免计算辐射换热时出现的多次的吸收与反射，引入有效辐射的概念。效辐射的概念。第十六张，PPT共七十页，创作于2022年6月（1 1）有效辐射与投入辐射的定义）有效辐射与投入辐射的定义我们把单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能称为投

16、入辐射我们把单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能称为投入辐射G G把单位时间内离开单位表面积上的总辐射能称为有效辐射把单位时间内离开单位表面积上的总辐射能称为有效辐射J J。有效辐射由两部分组成有效辐射由两部分组成本身辐射本身辐射E=EE=Eb b反射辐射反射辐射G=(1-)GG=(1-)G 假假设设表表面面1 1的的温温度度均均匀匀、表表面面 辐辐 射射 特特 性性 为为 常常 数数：则则 J J1 1=E=E1 1+1 1G G1 1=1 1E Eb1b1+(1-+(1-1 1)G)G1 1 对对于于黑黑体体J J1 1=1 1E Eb1b1，即即有有效效辐射就等于本身辐射。辐射就等于本

17、身辐射。（2 2）物体表面与外界的辐射换热量的计算）物体表面与外界的辐射换热量的计算（见图（见图9-149-14）从表面从表面1 1的外部看，其能量收支差额应等于有效辐射与投入辐射之差，即的外部看，其能量收支差额应等于有效辐射与投入辐射之差，即 q=J q=J1 1-G-G1 1 （a a）图图9-14 有效辐射示意有效辐射示意图图第十七张，PPT共七十页，创作于2022年6月即：即：从表面从表面1 1内部观察，该表面与外界的辐射换热量应为内部观察，该表面与外界的辐射换热量应为q=Eq=E1 1-1 1G G1 1 (b)(b)从式中消去从式中消去G G，即得有效辐射，即得有效辐射J J与表面

18、净辐射换热量与表面净辐射换热量q q间的关系：间的关系：对于灰体对于灰体=，有，有第十八张，PPT共七十页，创作于2022年6月下面来分析两个等温漫灰表面封闭系统内的辐射换热情况。如图下面来分析两个等温漫灰表面封闭系统内的辐射换热情况。如图9-159-15所示，两个表面的净换热量为所示，两个表面的净换热量为根据下式及能量守恒有根据下式及能量守恒有(d)第十九张，PPT共七十页，创作于2022年6月于是有于是有图图9-15 9-15 两个物体组成的辐射换热系统两个物体组成的辐射换热系统第二十张，PPT共七十页，创作于2022年6月定义系统黑度定义系统黑度(或称为系统发射率或称为系统发射率)与黑体

19、辐射换热比较，上式多了一个与黑体辐射换热比较，上式多了一个 ，它是考虑由于灰体系，它是考虑由于灰体系统多次吸收与反射对换热量影响的因子。统多次吸收与反射对换热量影响的因子。第二十一张，PPT共七十页，创作于2022年6月三种特殊情形三种特殊情形空腔与内包物体间的换热空腔与内包物体间的换热 设表面设表面1 1为平面或凸面，则为平面或凸面，则X X1 1，2 2=1=1。由上式得（式。由上式得（式9-159-15）第二十二张，PPT共七十页，创作于2022年6月表面积表面积F F1 1和和F F2 2相差很小，即相差很小，即A1/A21A1/A21的辐射换热系统。的辐射换热系统。例两个无限大平例两

20、个无限大平板间的辐射换热（见图板间的辐射换热（见图9-169-16）第二十三张，PPT共七十页，创作于2022年6月表面积表面积A A2 2比比A A1 1大很多，即大很多，即A A1 1/A/A2 200时（表面时（表面1 1为非凹面）为非凹面）例如：大房间内的例如：大房间内的高温管道的辐射换热，以及气体容器内（或管道内）热电偶测温的辐射误差。高温管道的辐射换热，以及气体容器内（或管道内）热电偶测温的辐射误差。系统黑体系统黑体s=s=1 1。在这种情况下进行辐射换热量计算，不需要知道包壳物。在这种情况下进行辐射换热量计算，不需要知道包壳物体体2 2的面积的面积A A2 2及其黑度。及其黑度。

21、第二十四张，PPT共七十页，创作于2022年6月 9-3 -3 多表面系统辐射换热的计算多表面系统辐射换热的计算 在由两个表面组成的封闭系统中，一个表面的净辐射换在由两个表面组成的封闭系统中，一个表面的净辐射换热量也就是该表面与另一表面间的辐射换热量。而在多表面热量也就是该表面与另一表面间的辐射换热量。而在多表面系统中，一个表面的净辐射换热量是与其余各表面分别换热系统中，一个表面的净辐射换热量是与其余各表面分别换热的换热量之和。工程计算的主要目的是获得一个表面的净辐的换热量之和。工程计算的主要目的是获得一个表面的净辐射换热量。对于多表面系统，可以采用网络法或数值方法来射换热量。对于多表面系统，

22、可以采用网络法或数值方法来计算每一表面的净辐射换热量。计算每一表面的净辐射换热量。1 1表面辐射热阻与空间辐射热阻表面辐射热阻与空间辐射热阻网络法中两个单元等效电路网络法中两个单元等效电路 表面辐射热阻与空间辐射热阻分别取决于表面的辐射特性（表面辐射热阻与空间辐射热阻分别取决于表面的辐射特性（）及）及表面的空间结构（角系数表面的空间结构（角系数X X）。）。第二十五张，PPT共七十页，创作于2022年6月(1)表面辐射热阻表面辐射热阻(2)(2)上节公式上节公式(9-12)(9-12)：改写为：改写为：式中，式中，称为表面热势差；称为表面热势差；则被称为表面则被称为表面辐射热阻。辐射热阻。第二

23、十六张，PPT共七十页，创作于2022年6月图图9-19 9-19 表面辐射热阻表面辐射热阻表面辐射热阻见图表面辐射热阻见图9-199-19所示，可见，所示，可见，每一个表面都有一个表面辐射热每一个表面都有一个表面辐射热阻。阻。对于黑表面，对于黑表面，1 1 Rr Rr 0 0 即，即，黑体的表面热阻等于零。黑体的表面热阻等于零。又根据上节中的公式又根据上节中的公式(d)以及角系数相对性以及角系数相对性？(2)(2)空间辐射热阻空间辐射热阻 第二十七张，PPT共七十页，创作于2022年6月式中，式中，是空间热势差，是空间热势差，则是空间辐射热则是空间辐射热阻，如图阻，如图9-199-19所示，

24、可见，所示，可见，每一对表面就有一个空间辐射热每一对表面就有一个空间辐射热阻。阻。图图9-19 9-19 空间辐射热阻空间辐射热阻第二十八张，PPT共七十页，创作于2022年6月2 2 网络法的应用举例网络法的应用举例 （1 1）首首先先来来看看前前面面讲讲过过的的两两漫漫灰灰表表面面组组成成的的封封闭闭系系统统，参参见见图图9-159-15，其其等等效效网网络络图图见见9-209-20所所示示，根根据据电电路路中中的的基基尔尔霍霍夫夫定定律律流流入入节节点点的的电电流流总总和和等等于于零零，列列出出各各个个节节点点的的热热流流方方程程，组组成成有有效效辐辐射射的的联联立立方方程程组组，见左式

25、见左式图图9-20 9-20 两表面封闭系统辐射换热等效网络图两表面封闭系统辐射换热等效网络图第二十九张，PPT共七十页，创作于2022年6月求解上面方程组获得求解上面方程组获得 ，根据：，根据：计算净辐射热流，其中计算净辐射热流，其中i i 代表表面代表表面1 1或表面或表面2 2。在在上上面面的的过过程程中中需需要要注注意意的的是是(1)(1)节节点点的的概概念念；(2)(2)每每个个表表面面一一个个表表面面热热阻阻，每每对对表表面面一一个个空空间间热热阻阻；(3)(3)以以及及画画电电路路图图的的一一些些基基本知识。本知识。（2 2）下下面面再再来来看看一一下下三三个个表表面面的的情情况

26、况，见见图图9-219-21。与与两两个个表表面面相相似似，首首先先需需要要画画出出等等效效网网络络，见见图图9-229-22所所示示，然然后后，列列出出各各节节点的电流方程。点的电流方程。这种把辐射热阻比拟成等效的电阻从而通过等效的网络图来求解辐射换这种把辐射热阻比拟成等效的电阻从而通过等效的网络图来求解辐射换热的方法称为辐射换热的网络法热的方法称为辐射换热的网络法。第三十张，PPT共七十页，创作于2022年6月9-21 9-21 由三个表面组由三个表面组成的封闭系统成的封闭系统9-22 9-22 三表面封闭腔三表面封闭腔的等效网络图的等效网络图第三十一张，PPT共七十页，创作于2022年6

27、月节点节点 的热流方程如下：的热流方程如下：求解上面的方程组，再计算净换热量。求解上面的方程组，再计算净换热量。第三十二张，PPT共七十页，创作于2022年6月总结上面过程，可以得到应用总结上面过程，可以得到应用网络法的基本步骤网络法的基本步骤如下：如下：划出等效的网络图。画图时注意（划出等效的网络图。画图时注意（a a）每一个参与换热的表面（净换热量）每一个参与换热的表面（净换热量不为零的表面）均应有一段相应的电路，它包括源电势、表面热阻及节点不为零的表面）均应有一段相应的电路，它包括源电势、表面热阻及节点电势；电势；(b)(b)各节点之间通过空间辐射热阻连结。各节点之间通过空间辐射热阻连结

28、。列出节点的电流方程。划出等效的网络图后，辐射换热问题就可作列出节点的电流方程。划出等效的网络图后，辐射换热问题就可作为直流电路问题来求解。图为直流电路问题来求解。图9-21 9-229-21 9-22示出三个表面的辐射换热量问题的示出三个表面的辐射换热量问题的等效的网络图，据电学中的基尔霍夫定律列出节点的电流方程：等效的网络图，据电学中的基尔霍夫定律列出节点的电流方程：求解上述方程得出节点电势求解上述方程得出节点电势J1J1、J2J2、J3J3（表面辐射热阻）（表面辐射热阻）按按下下式式确确定定每每个个表表面面的的净净辐辐射射换换热量。热量。第三十三张，PPT共七十页，创作于2022年6月(

29、3)(3)两个重要特例两个重要特例a a 有一个表面为黑体。有一个表面为黑体。黑体的表面热阻为零黑体的表面热阻为零。其网络图见图。其网络图见图9-9-23a23a。上述方程简化为二元方程组。上述方程简化为二元方程组。b b有一个表面绝热，即净辐射换热量有一个表面绝热，即净辐射换热量q q为零。设表面为零。设表面3 3为绝热，则为绝热，则 即即该该表表面面的的有有效效辐辐射射等等于于某某一一温温度度下下的的黑黑体体辐辐射射。但但此此时时绝绝热热表表面面的的温温度度是是未未知知的的，而而由由其其他他两两个个表表面面所所决决定定，其其等等效效网网络络图图如如图图（9-23b9-23b）所所示示。J3

30、J3是是一一个个浮浮动动电电势势，取取决决于于J1J1、J2J2及及其其间间的的两两个个表表面面热热阻阻。简简化化的的电电路路图图见见图图（9-23c9-23c）可清楚地看出上述特点。）可清楚地看出上述特点。第三十四张，PPT共七十页，创作于2022年6月9-23 9-23 三表面系统的两个特例三表面系统的两个特例第三十五张，PPT共七十页，创作于2022年6月这种表面温度未定而净的辐射换热量为零的表面称这种表面温度未定而净的辐射换热量为零的表面称为重辐射面为重辐射面。计算式。计算式见见414414页的页的e e、f f、g g式。式。在工程计算中常会遇到重辐射面的情形。加热炉中保温很好的耐火

31、炉在工程计算中常会遇到重辐射面的情形。加热炉中保温很好的耐火炉墙就是这种绝热表面。这时可以认为它把落在其表面的辐射能又完全重新墙就是这种绝热表面。这时可以认为它把落在其表面的辐射能又完全重新辐射出去，因而被称为重辐射面。辐射出去，因而被称为重辐射面。虽然重辐射面与换热面之间无净辐射虽然重辐射面与换热面之间无净辐射换热交换，但它的重辐射作用却影响到其他换热表面间的辐射换热。换热交换，但它的重辐射作用却影响到其他换热表面间的辐射换热。3 3数值计算法（自学）数值计算法（自学）第三十六张，PPT共七十页，创作于2022年6月9-4 -4 辐射换热的强化与削弱辐射换热的强化与削弱 由于工程上的需求，经

32、常需要强化或削弱辐射换热。本节利用本章以前讨论由于工程上的需求，经常需要强化或削弱辐射换热。本节利用本章以前讨论的内容对强化或消弱辐射换热的方法作一归纳，最后给出辐射换热表面换热系数的内容对强化或消弱辐射换热的方法作一归纳，最后给出辐射换热表面换热系数的定义及计算方法。的定义及计算方法。1 1强化辐射换热的方法强化辐射换热的方法 可采用增加换热表面黑度可采用增加换热表面黑度(即减少表面热阻即减少表面热阻)以及改变两表面的布置以增加以及改变两表面的布置以增加角系数（角系数（即减少空间热阻即减少空间热阻）的方法。）的方法。增加黑度时应注意首先增加对换热影响最大的那一个表面的黑度（例空腔增加黑度时应

33、注意首先增加对换热影响最大的那一个表面的黑度（例空腔与内包物体的换热应增加内包物体的黑度更有效）。与内包物体的换热应增加内包物体的黑度更有效）。2 2削弱辐射换热的方法削弱辐射换热的方法 可采用减少表面黑度（可采用减少表面黑度（增加表面热阻增加表面热阻）及在两辐射表面之间安插遮热）及在两辐射表面之间安插遮热板（板（增加总热阻增加总热阻）的方法。例如卫星表面采用对太阳能吸收率小的材）的方法。例如卫星表面采用对太阳能吸收率小的材料做表面涂层料做表面涂层,置于室外的发热设备（如变压器）用浅色油漆作为涂层。置于室外的发热设备（如变压器）用浅色油漆作为涂层。第三十七张，PPT共七十页，创作于2022年6

34、月为了减少辐射换热，在换热面之间插入薄板是个有效措施。为了减少辐射换热，在换热面之间插入薄板是个有效措施。（1 1）板式遮热板）板式遮热板 未插入遮热板时两个大平板的辐射换热量为：未插入遮热板时两个大平板的辐射换热量为：中中间间插插入入一一块块遮遮热热板板后后的的辐射换热量为：辐射换热量为：第三十八张，PPT共七十页，创作于2022年6月插入插入n n块相同黑度的遮热板后的辐射换热量为：块相同黑度的遮热板后的辐射换热量为：若若1 1=2 2=3 3=，则，则第一块遮热板使辐射换热量减少了第一块遮热板使辐射换热量减少了1/21/2第二块遮热板使辐射换热量减少了第二块遮热板使辐射换热量减少了1/2

35、-1/3=1/6 1/2-1/3=1/6 第三块遮热板使辐射换热量减少了第三块遮热板使辐射换热量减少了1/3-1/4=1/121/3-1/4=1/12第四块遮热板使辐射换热量减少了第四块遮热板使辐射换热量减少了(1/n-1/n+1)=1/n(n+1)(1/n-1/n+1)=1/n(n+1)第三十九张，PPT共七十页，创作于2022年6月当当在在两两个个平平板板（=0.8=0.8）间间插插入入一一块块黑黑度度为为0.050.05的的遮遮热热板板时时，可可使使辐辐射射换换热量减少到原来的热量减少到原来的1/271/27。（2 2）筒状遮热板）筒状遮热板 未插入遮热板时的辐射换热量为：未插入遮热板时

36、的辐射换热量为：中间插入一块遮热板后的辐中间插入一块遮热板后的辐射换热量为：射换热量为：插入插入n n块相同黑度的遮热板后的辐块相同黑度的遮热板后的辐射换热量为：射换热量为：第四十张，PPT共七十页，创作于2022年6月遮热板的应用遮热板的应用（1 1）汽轮机中用于减少内、外套管间辐射换热的园筒形遮热板。）汽轮机中用于减少内、外套管间辐射换热的园筒形遮热板。（2 2）遮热板应用于储存液态气体的低温容器。储存液氮、液氧的容器）遮热板应用于储存液态气体的低温容器。储存液氮、液氧的容器（见图（见图9-429-42）。采用多层遮热板并抽真空的超级隔热材料，遮热板用塑料薄）。采用多层遮热板并抽真空的超级

37、隔热材料，遮热板用塑料薄膜制成，其上涂吸收率很小的金属箔层膜制成，其上涂吸收率很小的金属箔层(例镀银，铬例镀银，铬)。（3 3）遮热板应用于超级隔热油管。（见图）遮热板应用于超级隔热油管。（见图9-439-43）采用多层遮热板并抽真）采用多层遮热板并抽真空的超级隔热材料，半径方向上的当量导热系数为空的超级隔热材料，半径方向上的当量导热系数为0.003w/(m.k)0.003w/(m.k)。第四十一张，PPT共七十页，创作于2022年6月（4 4）遮热板用于提高温度测量的准确度。见图）遮热板用于提高温度测量的准确度。见图9-449-44 对对裸裸露露热热电电偶偶：高高温温气气流流以以对对流流方方

38、式式把把热热量量传传给给热热电电偶偶，同同时时热热电电偶偶又又以以辐辐射射方方式式把把热热量量传传给给温温度度较较低低的的壁壁面面。当当对对流流换换热热量量等等于于辐辐射射换换热热量量时时，热热电电偶偶的的温温度度不不再再变变化化，此此温温度度即即为为热热电电偶偶的的指指示示温温度度。此此值值必必低低于于气气体体的的真真实实温温度度，造造成成误差。误差。第四十二张，PPT共七十页，创作于2022年6月 当使用遮热罩抽气式热电偶时，遮热罩使辐射换热减少，而抽气作用又增当使用遮热罩抽气式热电偶时，遮热罩使辐射换热减少，而抽气作用又增加了气体与热电偶间的对流换热，从而使热电偶的指示温度更接近于气体的

39、真实加了气体与热电偶间的对流换热，从而使热电偶的指示温度更接近于气体的真实温度，使测量误差减少。温度，使测量误差减少。第四十三张，PPT共七十页，创作于2022年6月3 3复合换热的计算复合换热的计算 工工程程中中对对流流与与辐辐射射常常常常同同时时存存在在。这这种种对对流流与与辐辐射射同同时时存存在在的的换换热热过过程程称称为为复复合合换换热热。对对于于复复合合换换热热，工工程程计计算算时时常常采采用用把把辐辐射射换换热热量量折折合合成成对对流流换换热热量量的的处处理理办办法法。先先按按辐辐射射换换热热的的有有关关公公式式算算出出辐辐射射换热量换热量QrQr，然后将它表示成牛顿冷却公式的形式

40、：（式，然后将它表示成牛顿冷却公式的形式：（式9-329-32）式中：式中：h hr r辐射换热系数。辐射换热系数。于是复合换热的总换热量可方便的表示成（式于是复合换热的总换热量可方便的表示成（式9-339-33）式中：式中：h hc c对流换热系数。对流换热系数。h ht t复合换热系数。复合换热系数。第四十四张，PPT共七十页，创作于2022年6月 辐辐射射换换热热系系数数的的计计算算式式与与计计算算系系统统有有关关，如如对对位位于于温温度度为为T T2 2的的大大空空间间的的凸表面（温度为凸表面（温度为T T1 1），可有（式），可有（式9-349-34）第四十五张，PPT共七十页，创作

41、于2022年6月 9-5 -5 气体辐射气体辐射 在工业上常见的温度范围内，高温单原子惰性气体和分子结构对称的双在工业上常见的温度范围内，高温单原子惰性气体和分子结构对称的双原子气体（原子气体（O O2 2、N N2 2、H H2 2），并无发射和吸收辐射能的能力，可当作透明介质。但），并无发射和吸收辐射能的能力，可当作透明介质。但对非对称结构双原子对非对称结构双原子COCO和多原子气体和多原子气体COCO2 2、H H2 2OO具有相当大的辐射本领。具有相当大的辐射本领。当这类气体出现在换热场合中时，就要涉及到气体与固体间的辐射换热计当这类气体出现在换热场合中时，就要涉及到气体与固体间的辐射

42、换热计算。由于燃油、燃煤的燃烧物中通常含有一定浓度的算。由于燃油、燃煤的燃烧物中通常含有一定浓度的COCO2 2和水蒸气，所以本和水蒸气，所以本章主要介绍章主要介绍COCO2 2和水蒸气的辐射和吸收特性。和水蒸气的辐射和吸收特性。1 1气体的辐射特点气体的辐射特点（1 1）气体辐射对波长有选择性）气体辐射对波长有选择性 气体辐射对波长有强烈的选择性，它只在气体辐射对波长有强烈的选择性，它只在某些波长区段内具有辐射和吸收能力，通常把这种有辐射能力的波段称为光带。某些波长区段内具有辐射和吸收能力，通常把这种有辐射能力的波段称为光带。在光带以外，气体即不吸收亦不辐射，对热辐射呈透明体的性质。见图在光

43、带以外，气体即不吸收亦不辐射，对热辐射呈透明体的性质。见图9-279-27。由于辐射对波长具有选择性的特点，气体不是灰体。由于辐射对波长具有选择性的特点，气体不是灰体。第四十六张，PPT共七十页，创作于2022年6月图图9-27 CO2 9-27 CO2 和和H2OH2O的主要吸收谱带的主要吸收谱带（2 2）气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的）气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的固体和液体的辐射和吸收都具有在表面上进行的特点。固体和液体的辐射和吸收都具有在表面上进行的特点。而而气气体体则则表表现现为为容容积积辐辐射射和和吸吸收收就就吸吸收收而而言言，投投射射到到气气体体层层界界面面上上的的辐

44、辐射射能能要要在在辐辐射射行行程程中中被被吸吸收收减减弱弱。就就辐辐射射而而言言，气气体体层层界界面面上上所所感感受受到到的的辐辐射射为为到到达达界界面面上上的的整整个个容容积积气气体体的的辐辐射射。即即气气体体的的吸吸收收和辐射是在整个容积气体中进行的，与气体的容积和形状有关。和辐射是在整个容积气体中进行的，与气体的容积和形状有关。第四十七张，PPT共七十页，创作于2022年6月图图9-28 9-28 光谱辐射穿过光谱辐射穿过气体层时的衰减气体层时的衰减 2 2气体的单色吸收比及穿透比的计算气体的单色吸收比及穿透比的计算贝尔定律贝尔定律 当辐射能通过吸收性气体层时，因沿途被气体吸收而削弱。削

45、弱的程度取决当辐射能通过吸收性气体层时，因沿途被气体吸收而削弱。削弱的程度取决于辐射强度及途中所碰到的气体分子数目。气体分子数目则和射线行程长度及气于辐射强度及途中所碰到的气体分子数目。气体分子数目则和射线行程长度及气体的密度体的密度有关有关=f(p,T)=f(p,T)。经经x x后为后为I I,x,xx+dx x+dx 处为处为I I,x+dx,x+dx x=0 x=0时的单色辐射强度为时的单色辐射强度为I I,0,0通通过过dxdx（微微元元气气体体层层）时时的的减减 少少量量为为dIdI,x,x辐辐射射强强度度的的相相对对减减少少量量dI/IdI/I正正比于气体层厚度比于气体层厚度dx,

46、dx,故故dIdI,x,x正比于正比于I I,x,xdxdx的乘积。即的乘积。即 式中：式中：k k单色减弱系数，它取决于气体的种类、密度和波长，当气体的温单色减弱系数，它取决于气体的种类、密度和波长，当气体的温度和压力为常数时，度和压力为常数时，kk不变。对上式进行积分可得不变。对上式进行积分可得第四十八张，PPT共七十页，创作于2022年6月即即Beer Beer 定律定律式式中中，s s 是是辐辐射射通通过过的的路路程程长长度度，常常称称之之为为射射线线程程长长。从从上上式式可可知知，单单色色辐射强度在吸收性气体中传播时按指数规律衰减。辐射强度在吸收性气体中传播时按指数规律衰减。Beer

47、Beer公式可以写为公式可以写为单色穿透比单色穿透比对于气体，反射率为零，于是有对于气体，反射率为零，于是有根据根据KirchhoffKirchhoff定律，单色发射率为定律，单色发射率为第四十九张，PPT共七十页，创作于2022年6月 上面我们讨论了某个特定波长的辐射能在某个特定方向上在气体上面我们讨论了某个特定波长的辐射能在某个特定方向上在气体中的传递过程。在工程计算中重要的是确定气体在所有光带范围内辐中的传递过程。在工程计算中重要的是确定气体在所有光带范围内辐射能的总和。即气体的辐射力。按黑度的定义射能的总和。即气体的辐射力。按黑度的定义g g=E=Eg g/E/Eb b，所以气体的黑，

48、所以气体的黑度取决于气体的种类，对同一气体它的黑度又受哪些因素支配呢？度取决于气体的种类，对同一气体它的黑度又受哪些因素支配呢？3 3气体的黑度、吸收率的计算气体的黑度、吸收率的计算(1)(1)平均射线行程平均射线行程 由于气体容积辐射的特点，辐射力与射线行程的长度有由于气体容积辐射的特点，辐射力与射线行程的长度有关，而射线行程取决于气体容积的形状和尺寸。从图关，而射线行程取决于气体容积的形状和尺寸。从图9-299-29可知，从不同方可知，从不同方向辐射到向辐射到A A或或B B处的射线行程是各不相同的。只有如图处的射线行程是各不相同的。只有如图9-309-30所示的半球所示的半球气体容积对球

49、心气体容积对球心dAdA的辐射，各个方向上的射线行程都是一样的，即半的辐射，各个方向上的射线行程都是一样的，即半径径R R。对对其其它它气气体体形形状状采采用用当当量量半半球球的的处处理理办办法法：所所谓谓当当量量半半球球，是是指指半半球球内内的的气气体体具具有有与与研研究究的的情情况况相相同同的的温温度度、压压力力和和成成分分时时，该该半半球球内内气气体体对对球球心心的的辐辐射射力力，等等于于所所研研究究情情况况下下气气体体对对指指定定地地区区的的辐辐射射力力。实实用用上上正正是是采采用这种当量半球作为平均射线行程的。用这种当量半球作为平均射线行程的。第五十张，PPT共七十页，创作于2022

50、年6月图图9-29 9-29 气体对不同气体对不同地区的辐射地区的辐射图图9-30 9-30 半球内气体对球心的辐射半球内气体对球心的辐射 典型几何容积的气体对整个包壁或对某一研究的情况平均射线行程见表典型几何容积的气体对整个包壁或对某一研究的情况平均射线行程见表9-39-3。当缺乏数据时采用下式计算：。当缺乏数据时采用下式计算：式中，V为气体容积，m3；A为包壁面积，m2。第五十一张，PPT共七十页，创作于2022年6月利用上面的关系，可以采用试验获得利用上面的关系，可以采用试验获得 ，图，图9-319-31给出了给出了 时的水蒸气发射率时的水蒸气发射率 的图线。图的图线。图9-329-32