传热学-第九章资料.ppt

§9-1 辐射传热的角系数 § 9-4 气体辐射 本节将简要介绍气体辐射的特点、换热过程及其处理方法。在工程中常见的温度范围内， 和 具有很强的吸收和发射热辐射的本领，而其他的气体则较弱，这也是本节采用这两种气体作为例子的原因。 9.4.1 气体辐射的特点 (1) 气体辐射对波长具有选择性。它只在某谱带内具有发射和吸收辐射的本领，而对于其他谱带则呈现透明状态。如图9-27所示。 (2) 气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的。这是由于辐射可以进入气体，并在其内部进行传递，最后有一部分会穿透气体而到达外部或固体壁面，因而，气体的发射率和吸收比还与容器的形状和容积大小有关。 图9-27 CO2 和H2O的主要吸收谱带 图9-28 光谱辐射穿过气体层时的衰减 9.4.2 气体辐射的衰减规律 当热辐射进入吸收性气体层时，因沿途被气体吸收而衰减。为了考察辐射在气体内的衰减规律，如图9-28所示，我们假设投射到气体界面 x = 0 处的光谱辐射强度为 ，通过一段距离x后，该辐射变为 。在通过微元气体层 dx 后，其衰减量为 。 理论已经证明， 与行程 dx 成正比，设比例系数为 ，则有 式中，负号表示吸收， 为光谱衰减系数，m-1，它取决于气体的种类、密度和波长。对上式进行积分可得 即 Beer 定律 式中，s 是辐射通过的路程长度，常称之为射线程长。从上式可知，热辐射在气体内呈指数规律衰减。 气体辐射的光谱吸收比、光谱发射率 Beer公式可以写为 光谱穿透比 对于气体，反射比为零，于是有 根据Kirchhoff定律，光谱发射率为 工程中最为关心的是确定气体所有谱带内辐射能量的总和。于是需要首先确定气体的发射率 ，然后利用 计算气体的发射辐射。 9.4.3 平均射线程长的计算 由于气体的容积辐射特性， 与射线程长s关系密切，而s取决于气体容积的形状和尺寸。如图9-29所示。为了使射线程长均匀，人们引入了当量半球的概念，将不是球形的容积等效为半球。则其半径就是等效的射线程长，见图9-30所示。目前人们已经将一些典型几何容积的气体对整个包壁的平均射线程长列于表9-3中。在缺少资料的情况下，任意几个形状气体对整个包壁的平均射线程长可按下式计算： 式中，V为气体容积，m3；A为包壁面积，m2。 图9-29 气体对不同地区的辐射 图9-30 半球内气体对球心的辐射 除了与s有关外，还与气体的温度和气体得分压力有关，于是我们有如下关系 利用上面的关系，可以采用试验获得 ，图9-31给出了 时的水蒸气发射率 的图线。图9-32则是其修正系数 ，于是，水蒸气的发射率为 对应于 的图分别是9-33和图9-34。于是 图9-31 图9-32 修正系数 图9-33 图9-34 修正系数 当气体中同时存在二氧化碳和水蒸气时，气体的发射率由下式给出: 式中， 是修正量，由图9-35给出。 图9-35 修正量 * 第九章 辐射传热的计算 前面讲过，热辐射的发射和吸收均具有空间方向特性，因此，表面间的辐射换热与表面几何形状、大小和各表面的相对位置等几个因素均有关系，这种因素常用角系数来考虑。角系数的概念是随着固体表面辐射换热计算的出现与发展，于20世纪20年代提出的，它有很多名称，如，形状因子、可视因子、交换系数等等。但叫得最多的是角系数。值得注意的是，角系数只对漫射面(既漫辐射又漫发射)、表面的发射辐射和投射辐射均匀的情况下适用。 9.1.1 角系数的定义及计算假定 在介绍角系数概念前，要先温习一下投入辐射的概念 投入辐射：单位时间内投射到单位面积上的总辐射能，记为G。 下面介绍角系数的概念及表达式。 角系数：有两个表面，编号为1和2，其间充满透热介质，则表面1对表面2的角系数X1,2是：表面1发出的辐射能量中落到表面2的百分比。即 同理，也可以定义表面2对表面1的角系数。 从这个概念我们可以得出角系数的应用是有一定限制条件的，即漫射表面，等温、物性均匀、投射辐射均匀的表面，表面间充满透热介质 微元面对微元面的角系数 如图8-2所示，黑体微元面dA1对微元面dA2的角系数记为Xd1,d2，则根据前面的定义式有 类似地有 微元面对有限面的角系数 由角系数的定义可知，微元面dA1对面A2的角系数为 图9-2 两微元面间的辐射 (b) 有限面对有限面的角系数 面A1对面A2的角系数X1,2以及面A2对面A1的角系数X2,1分别为 微元面dA2对面A1的角系数则为 (d) (