9第九章辐射换热的计算.ppt

§9-4 辐射换热的强化与削弱 由于工程上的需求，经常需要强化或削弱辐射换热。 强化辐射换热的主要途径有两种： (1) 增加发射率；(2) 增加角系数。 削弱辐射换热的主要途径有三种： (1) 降低发射率；(2) 降低角系数； (3) 加入隔热板。 其实插入防热板相当于降低了表面发射率。本节主要讨论这种削弱辐射换热的方式。 对于两个无限大平面组成的封闭系统，其换热量为: 为简单起见，假设 ，则 上式变为 。 现在在两面之间插入一块发射率仍为 的遮热板， 这样就组成了两个换热系统，如图9-15所示. 稳态时有: 可见，与没有遮热板时相比，辐射换热量减小了一半。 图9-15 遮热板 § 9-5 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。 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8-16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9-16 CO2 和H2O的主要吸收谱带 图9-17 光谱辐射穿过气体层时的衰减 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8-17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 。再通过微元气体层 dx 后，其衰减量为 。 理论上已经证明， 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，它取决于其体的种类、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。 3 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，反射率为零，于是有 根据Kirchhoff定律，光谱发射率为 4 气体的发射率 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。而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9-18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9-19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9-1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9-18 气体对不同地区的辐射 图9-19 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的分压力有关，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9-20给出了 时的水蒸气发射率 的图线。图9-21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9-22和图9-23。于是 图9-20 图9-21 修正系数 图9-22 图8-23 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9-24给出。 图9-24 修正量 5 气体的吸收比 式中修正系数 和 与发射率公式中的处理方法相同，而 ， 和 的确定可以采用下面的经验公式 在其体发射率和吸收比确定后，气体与黑体外壳之间的辐射换热公式为: * ?d1,d2 / ?d1 本身就是Xd1,d2, 即微圆面d1发生的能量到达d2 的能量除以d1发射的能量 * 净热量法：利用表面的投射辐射、有效辐射的概念，建立表面内部能量平衡式，或外部能量平衡式，可以得到各表面的净热量、角系数、温度、辐射物性的相互关系。这就是净热量法。 * 显然，如果从表面2出发，同样可以得到上面的关系式，只是下标1全部都变为2而已，可见，上式具有普遍性。只要保