第八章-辐射换热的计算-3

第八章辐射换热计算本节内容：(1)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；(3)气体辐射；(4)火焰辐射假设：(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；(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、空气)或真空；(3)参与辐射换热的物体表面都是漫射(漫发射、漫反射)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。（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，采用网络法计算不方便，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：(a)从包括i在内的所有表面到达i表面的总辐射热流njjijjiiXJFGF1而于是jiiijjXFXF,,njjjiiiiJXFGF1,即njjjiiJXG1,于是，离开i表面的净辐射热流为)()(1,njjjiiiiiiiJXJFGJFQ而由角系数的完整性，又有njjiiiiXJJJ1,1于是得njjijiinjjjiinjjiiiJJXFJXJXFQ1,1,1,)()(即njjiiQQ1,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Qi,j之和。于是，节点i的有效辐射通用表达式可写为njjiijiiiiibiXFJJFJE11,)(1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njjiijiiXFJJQ11,)(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。T1T2T3123（二）辐射换热的强化与削弱－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，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。这是由于第三个表面对辐射能的屏蔽作用造成的。因而称之为辐射屏。已知两平板的温度各自均匀分布，且分别等于T1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，其黑度为ε3，那么平板3就成为一块辐射屏。没有遮热屏时，由两平面的辐射热平衡有：111)(214241012TTAQ而加入遮热屏后，稳态时，由两平面的辐射热平衡有：111)(111)(234243032314341013TTAQTTAQ如果所有平板的黑度均相同，即321124241012211112)(QTTAQT1T2T31232121)(2314241012TTAQ于是于是即辐射量减少为原来的一半。可以设想，若加入n块发射率相同的遮热板，则热量将减少为原来11n即02,12,1)(11)(qNqN其中，（q1,2）0为无防辐射屏时的辐射换热速率。遮热板的几个应用：（1）在汽轮机中用于减少内、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。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，其上涂以反射比很大的金属箔层。箔层厚度约0.01-0.05mm,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。据实测，冷壁20~80K，外壁300K时，在垂直于遮热板方向上的等效导热系数可低达5~10×105W/(m·K)，导热热阻可达常温下空气的几百倍，有超级绝热材料之称。（3）用于超级隔热油管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。为减少蒸汽散热损失，可采用类似低温保温容器的多层遮热板并抽真空。内管注蒸汽外管间隔材料（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。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。使用遮热罩抽气式热电偶时，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。为使遮热罩能对热电偶有效地起屏蔽作用，s/d应大于2~2.2。书中例题8-9和8-10表明，裸露时测温误差高达20.7%，用单层遮热罩抽气式时误差降为4.9%.twt3t1ds（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。利用这一性质可制成谱带分析仪，分析物质的成份；(b)对于某一投射辐射，只存在吸收和透射；＋＝1(c)气体的吸收和辐射在整个气体空间中进行，而固体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S有关),,(SPTf3-2：气体吸收定律设x=0处的单色辐射强度为I,在经过x距离后，发生在厚度为dx的无限小薄层的衰减量为dxIKxdIx,)(分离变量并在整个辐射（吸收）层内积分，有sIIsxxdxKIdI,0,0,,即，SKSeII0,,此为Beer定律，为描述气体吸收的基本定律，反映气体穿透辐射的指数衰减规律。定义气体的透过率为SKSeII0,,则对于气体，有SKe1若认为对于气体，基尔霍夫定律仍然有效，则有SKe1此即为介质的光谱发射率。如果按气体发射辐射的定义来确定气体发射率，则有4044)1(gbbSKgbbgbggTdEeTdETE影响气体发射率的因素有（1）气体温度Tg；（2）光射线平均行程S（一般根据S=3.6V/F计算）（3）气体分压及气体所处总压。考虑到压强对发射率的影响，可把发射率改写为SPKe1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OHCOg22（四）火焰辐射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；低挥发分固体粉状燃料（如无烟煤粉）燃烧时为半发光火焰，辐射来自燃烧产物CO2和H2O气体和焦炭粒子；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。发光火焰的辐射和吸收光谱是连续的，发射率g近似为1，可视为黑体；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0.15，集热器表面积是20m2，表面温度为80℃,周围空气温度为18℃，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为800W/m2，天空温度为0℃时，试计算该集热器可利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）/（太阳照射）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）其中：太阳辐射得热=208000.92=14720W天空辐射得热=205.5710-827340.15=945W对流失热=203（80－18）＝3720W表面辐射失热=205.5710-835340.15=2641W因此，可利用的太阳能辐射热＝14720＋945－3720－2641＝9304辐射效率=9304/(80020)=58%例2：两平行无限大平壁，发射率1＝0.5;2=0.8;中间遮热板的发射率31＝32=0.05，求辐射换热减少的百分数。分析：未加遮热板时，111)(2142412,1TTqb解得25.2)(42412,1TTqb加遮热板后，totbtotbbRTTREEq)(424121其中22232,332,32,311,31,313,1111111111AAXAAAXARtot由于是无限大平壁，消去A1=A2=A3=F于是，有222,32,32,31,31,33,111111111XXRtot又1112,33,1XX故得25.418.08.01205.005.0125.05.01totR于是25.41)(42412,1TTqb%5.9425.2125.41125.21'qqq辐射换热减少份额为：例3：半球形容器的r=1m，底部圆形面积上有温度为200℃的辐射表面1和温度为40℃的吸热表面2。它们各占圆形面积之半。1、2表面均是黑表面，容器壁面3是绝热表面，试计算表面1、2之间的辐射换热和容器壁3的温度。分析：表面1、2、3构成封闭空腔，于是有31441,111)(jjbjTTXFQ31442,222)(jjbjTTXFQ31443,333)(jjbjTTXFQ各表面间的角系数为：02,21,1XX01,22,1XX由角系数的完备性：13,12,11,1XXX13,22,21,2XXX得13,23,1XX又由角系数的互换性，得41223,1223,1311,3XRRXAAX413,2322,3XAAX于是得2/112,31,33,3XXX由于3表面绝热，于是0)()(342432,3341431,33QTTXATTXAbb整理得2142241143AATATAT代入已知温度，解得T3=142℃而由于3表面绝热，因此有Q1=-Q223,213,1212111AXAXEEQbbWQ1800)13.373.4(67.544421计算得例4：在加工过程中，面积A2＝15m2的曲面太阳能吸收器表面上的特殊涂层受宽W=1m的红外加热器的照射处理，吸收器和加热器的长度都是L＝10m，它们相隔的距离为H＝1m。已知：加热器的温度为T1＝1000K,发射率1＝0.9，吸收器的温度T2＝600K，发射率2＝0.5,这个系统被放在壁温为300K的一个大房间里，问传给吸收器的净辐射热流是多少？假定：（1）所有表面均是漫－灰表面；（2）环境可用假想的黑体表面3表示，表面3的温度T3＝300K；（3）表面1、2、3组成一个封闭空腔。分析：传给吸收器的净辐射热流为)/()1(222222FJEqb由于假定环境为黑体，构成封闭表面3于是，传热网络可由下面给出23,23212,11222222111AXJJAXJJFJEb其中24333/459mWTEJb2422/7348mWTEb查图8－7求得39.02,1X则26.039.01510*22,111,2AXAX于是61.012,13,1XX28.061.0)111010(1103,1311,3XAAX由对称性'2,32,31,3XXX故41.028.015222,3233,2XAAX于是，得41.0/145926.0/15.0/)5.01(73482122JJJJ整理后有753667.126.021JJ(1)同理，对于加热器，也有13,1312,112111111111FXJJXFJJFJEb消去F1，代之Eb1,X1,2,X1,3，可得51000239.01021JJ(2)联解(1)和(2)，得125282J于是，7.77)155.0/()5.01(1252873482q作业：8-39,8-44,8-45,8-56