化學(xué)工程與工藝專業(yè)英語(yǔ)eighth

第八章輻射換熱的計(jì)算兩個(gè)外表之間的輻射換熱量與兩個(gè)外表之間的相對(duì)位置有很大關(guān)系§8-1角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計(jì)算圖8-1外表相對(duì)位置的影響a圖中兩外表無(wú)限接近，相互間的換熱量最大；b圖中兩外表位于同一平面上，相互間的輻射換熱量為零。由圖可以看出，兩個(gè)外表間的相對(duì)位置不同時(shí)，一個(gè)外表發(fā)出而落到另一個(gè)外表上的輻射能的百分?jǐn)?shù)隨之而異，從而影響到換熱量。一.角系數(shù)的定義角系數(shù)是進(jìn)展輻射換熱計(jì)算時(shí)空間熱組的主要組成部分。定義：把外表1發(fā)出的輻射能中落到外表2上的百分?jǐn)?shù)稱為外表1對(duì)外表2的角系數(shù)，記為X1,2。同理，外表1發(fā)出的輻射能中落到外表2上的百分?jǐn)?shù)稱為外表1對(duì)外表2的角系數(shù)，記為X2,1二.角系數(shù)的性質(zhì)研討角系數(shù)的性質(zhì)是用代數(shù)法〔代數(shù)分析法〕求解角系數(shù)的前提：假定：〔1〕所研討的外表是漫射的〔2〕在所研討外表的不同地點(diǎn)上向外發(fā)射的輻射熱流密度是均勻的1、角系數(shù)的相對(duì)性一個(gè)微元外表到另一個(gè)微元外表的角系數(shù)(1)圖8-2兩微元面間的輻射同理：整理〔1〕、〔2〕式得：(2)(3)兩微元外表角系數(shù)的相對(duì)性表達(dá)式：〔2〕兩個(gè)有限大小外表之間角系數(shù)的相對(duì)性當(dāng)時(shí)，凈輻射換熱量為零，即那么有限大小外表間角系數(shù)的相對(duì)性的表達(dá)式：(4)2、角系數(shù)的完好性對(duì)于由幾個(gè)外表組成的封鎖系統(tǒng)，據(jù)能量守衡原理，從任何一個(gè)外表發(fā)射出的輻射能必全部落到封鎖系統(tǒng)的個(gè)外表上。因此，任何一個(gè)外表對(duì)封鎖腔各外表的角系數(shù)之間存在以下關(guān)系：(5)圖8-3角系數(shù)的完好性上式稱為角系數(shù)的完好性。注：假設(shè)外表1為非凹外表時(shí)，X1,1=0；假設(shè)外表1為凹外表，3、角系數(shù)的可加性如圖8-4所示從外表1上發(fā)出而落到外表2上的總能量，等于落到外表2上各部分的輻射能之和，于是有如把外表2進(jìn)一步分成假設(shè)干小塊，那么有(6)圖8-4角系數(shù)的可加性留意，利用角系數(shù)可加性時(shí)，只需對(duì)角系數(shù)符號(hào)中第二個(gè)角碼是可加的，對(duì)角系數(shù)符號(hào)中的第一個(gè)角碼那么不存在類似的關(guān)系。從外表2上發(fā)出而落到外表1上的輻射能，等于從外表2的各部分發(fā)出而落到外表1上的輻射能之和，于是有角系數(shù)的上述特性可以用來(lái)求解許多情況下兩外表間的角系數(shù)值(7)(8)三、角系數(shù)的計(jì)算方法

直接積分法代數(shù)分析法幾何分析法求解角系數(shù)的方法1、直接積分法按角系數(shù)的根本定義經(jīng)過(guò)求解多重積分而獲得角系數(shù)的方法如下圖的兩個(gè)有限大小的面積，可以得到微元面積對(duì)的角系數(shù)為上式積分可得即2、代數(shù)分析法利用角系數(shù)的相對(duì)性、完好性及可加性，經(jīng)過(guò)求解代數(shù)方程而獲得角系數(shù)的方法稱為代數(shù)分析法。(1)三個(gè)非凹外表組成的封鎖系統(tǒng)圖8-5三個(gè)非凹外表組成的封鎖系統(tǒng)由角系數(shù)完好性由角系數(shù)相對(duì)性上述方程解得：由于垂直紙面方向的長(zhǎng)度一樣，那么有：(2)恣意兩個(gè)非凹外表間的角系數(shù)如下圖外表和假定在垂直于紙面的方向上外表的長(zhǎng)度是無(wú)限延伸的，只需封鎖系統(tǒng)才干運(yùn)用角系數(shù)的完好性，為此作輔助線ac和bd，與ab、cd一同構(gòu)成封鎖腔。圖8-6兩個(gè)非凹外表及假想面組成的封鎖系統(tǒng)根據(jù)角系數(shù)的完好性：上述方法又被稱為交叉線法。留意：這里所謂的交叉線和不交叉線都是指虛擬面斷面的線，或者說(shuō)是輔助線。例題8-1，求以下圖形中的角系數(shù)解：解：解：解：解：注：利用這樣的分析方法，擴(kuò)展線圖的運(yùn)用，可以得出很多幾何構(gòu)造簡(jiǎn)單的角系數(shù)例題8-2：求圖中1、4兩個(gè)外表之間的角系數(shù)一、兩黑體外表組成的封鎖腔間的輻射換熱計(jì)算如圖8-7所示，黑外表1和2之間的輻射換熱量為§8-2被透明介質(zhì)隔開(kāi)的兩固體外表間的輻射換熱圖8-7黑體系統(tǒng)的輻射換熱〔2〕有效輻射：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)分開(kāi)單位面積的總輻射能為該外表的有效輻射，記為J。外表的反射比，可表示成有效輻射包括本身射輻射E投入輻射被反射輻射的部分1、有效輻射〔1〕投入輻射：?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)投射到單位面積上的總輻射能，記為G。二、兩漫灰外表組成的封鎖系統(tǒng)的輻射換熱計(jì)算圖8-8有效輻射表示圖調(diào)查外表溫度均勻、外表輻射特性為常數(shù)的外表1〔如圖8-8所示〕。根據(jù)有效輻射的定義，外表1的有效輻射有如下表達(dá)式：在外表外能感遭到的外表輻射就是有效輻射，它也是用輻射探測(cè)儀能丈量到的單位外表積上的輻射功率。從外表1外部來(lái)察看，其能量收支差額應(yīng)等于有效輻射與投入輻射之差，即從外表內(nèi)部察看，該外表與外界的輻射換熱量應(yīng)為：上兩式聯(lián)立，消去G1，得到J與外表凈輻射換熱量之間的關(guān)系:留意：式中的各個(gè)量均是對(duì)同一外表而言的，而且以向外界的凈放熱量為正值。2、兩灰外表組成的封鎖腔的輻射換熱圖8-9兩個(gè)物體組成的輻射換熱系統(tǒng)下面來(lái)分析兩個(gè)等溫漫灰外表封鎖系統(tǒng)內(nèi)的輻射換熱情況。如圖8-9所示，兩個(gè)外表的凈換熱量為根據(jù)下式及能量守恒有(a)(b)(c)(d)將(b)、(c)、(d)代入(a)得圖8-10兩封鎖外表間的輻射換熱網(wǎng)絡(luò)圖假設(shè)以為計(jì)算面積，上式可改寫(xiě)為：定義系統(tǒng)黑度(或稱為系統(tǒng)發(fā)射率)三種特殊情形(1)外表1為凸面或平面，此時(shí)，X1,2＝1，于是(2)外表積A1比外表積A2小得多，即A1/A20于是(3)外表積A1與外表積A2相當(dāng)，即A1/A21于是(1)兩平行平壁間的輻射換熱且舉例(2)空腔與內(nèi)包壁間的輻射換熱假設(shè)，且較大，如車間內(nèi)的采暖板、熱力管道，測(cè)溫傳感器等都屬于此種情況討論練習(xí)：某房間吊裝一水銀溫度計(jì)讀數(shù)為15，知溫度計(jì)頭部發(fā)射率〔黑度〕為0.9，頭部與室內(nèi)空氣間的對(duì)流換熱系數(shù)為20，墻外表溫度為10，求該溫度計(jì)的丈量誤差。如何減小丈量誤差？℃℃℃知，，，求測(cè)溫誤差？解：據(jù)有效輻射的計(jì)算式或〔8-18〕1.勢(shì)差與熱阻§8-3多外表系統(tǒng)輻射換熱的計(jì)算又據(jù)兩個(gè)外表的凈換熱量為由此得到〔8-19〕將式〔8-18〕、〔8-19〕與電學(xué)中的歐姆定律相比可見(jiàn)：換熱量相當(dāng)于電流強(qiáng)度；或相當(dāng)于電勢(shì)差；而及那么相當(dāng)于電阻，分別稱為輻射換熱外表的外表輻射熱阻及空間輻射熱阻。相當(dāng)于電源電勢(shì)，而那么相當(dāng)于節(jié)點(diǎn)電壓。那么兩個(gè)輻射熱阻的等效電路如下圖：〔a〕外表輻射熱阻〔b〕空間輻射熱阻利用上述兩個(gè)單元格電路，可以容易地畫(huà)出組成封鎖系統(tǒng)的兩個(gè)灰體外表間輻射換熱的等效網(wǎng)絡(luò)，如下圖。根據(jù)等效網(wǎng)絡(luò)，可以立刻寫(xiě)出換熱量計(jì)算式：兩外表封鎖系統(tǒng)輻射換熱等效網(wǎng)絡(luò)圖這種把輻射熱阻比較成等效的電阻從而經(jīng)過(guò)等校的網(wǎng)絡(luò)圖來(lái)求解輻射換熱的方法成為輻射換熱的網(wǎng)絡(luò)法。運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)法求解多外表封鎖系統(tǒng)輻射換熱問(wèn)題的步驟：〔1〕畫(huà)出等效的網(wǎng)絡(luò)圖?！?〕列出節(jié)點(diǎn)的電流方程〔3〕求解上述代數(shù)方程得出節(jié)點(diǎn)電勢(shì)?！?〕按公式確定每一個(gè)表面的凈輻射換熱量。2.網(wǎng)絡(luò)法的運(yùn)用舉例以圖〔a〕所示的三外表的輻射換熱問(wèn)題為例畫(huà)出圖〔b〕的等效網(wǎng)絡(luò)圖(a)由三個(gè)外表組成的封鎖系統(tǒng)(b)三外表封鎖腔的等效網(wǎng)絡(luò)圖a有一個(gè)外表為黑體。黑體的外表熱阻為零。其網(wǎng)絡(luò)圖見(jiàn)圖8-14a。b有一個(gè)外表絕熱，即該外表的凈換熱量為零。其網(wǎng)絡(luò)圖見(jiàn)圖8-14b和8-14c，3.兩個(gè)重要特例三外表系統(tǒng)的兩個(gè)特例§8-4輻射換熱的強(qiáng)化與減弱強(qiáng)化輻射換熱的主要途徑有兩種：添加發(fā)射率；添加角系數(shù)。減弱輻射換熱的主要途徑有三種：降低發(fā)射率；降低角系數(shù)；參與遮熱板。所謂遮熱板，是指插入兩個(gè)輻射換熱外表之間以減弱輻射換熱的薄板，其實(shí)插入遮熱板相當(dāng)于降低了外表發(fā)射率。本節(jié)主要討論這種減弱輻射換熱的方式。為了闡明遮熱板的任務(wù)原理，我們來(lái)分析在平行平板之間插入一塊薄金屬板所引起的輻射換熱的變化:穩(wěn)態(tài)時(shí)有:可見(jiàn)，與沒(méi)有遮熱板時(shí)相比，輻射換熱量減小了一半。輻射外表和金屬板的溫度、吸收比如下圖。為討論方便，設(shè)平板和金屬薄板都是灰體，并且遮熱板§8-5氣體輻射本節(jié)將簡(jiǎn)要引見(jiàn)氣體輻射的特點(diǎn)、換熱過(guò)程及其處置方法。在工程中常見(jiàn)的溫度范圍內(nèi)，和具有很強(qiáng)的吸收和發(fā)射熱輻射的身手，而其他的氣體那么較弱，這也是本節(jié)采用這兩種氣體作為例子的緣由。1氣體輻射的特點(diǎn)(1)氣體輻射對(duì)波長(zhǎng)具有選擇性。它只在某譜帶內(nèi)具有發(fā)射和吸收輻射的身手，而對(duì)于其他譜帶那么呈現(xiàn)透明形狀。如圖8-16所示。(2)氣體的輻射和吸收是在整個(gè)容積中進(jìn)展的，因此，氣體的發(fā)射率和吸收比還與容器的外形和容積大小有關(guān)。和的主要吸收譜帶光譜輻射穿過(guò)氣體層時(shí)的衰減2氣體輻射的衰減規(guī)律當(dāng)熱輻射進(jìn)入吸收性氣體層時(shí)，因沿途被氣體吸收而衰減。為了調(diào)查輻射在氣體內(nèi)的衰減規(guī)律，如圖8-17所示，我們假設(shè)投射到氣體界面x=0處的光譜輻射強(qiáng)度為，經(jīng)過(guò)一段間隔x后，該輻射變?yōu)?。再?jīng)過(guò)微元?dú)怏w層dx后，其衰減量為。實(shí)際上曾經(jīng)證明，與行程dx成正比，設(shè)比例系數(shù)為，那么有式中，負(fù)號(hào)表示吸收，為光譜衰減系數(shù)，m-1，它取決于其體的種類、密度和波長(zhǎng)。對(duì)上式進(jìn)展積分可得即Beer定律式中，s是輻射經(jīng)過(guò)的路程長(zhǎng)度，常稱之為射線程長(zhǎng)。從上式可知，熱輻射在氣體內(nèi)呈指數(shù)規(guī)律衰減。3氣體輻射的光譜吸收比、光譜發(fā)射率Beer公式可以寫(xiě)為光譜穿透比對(duì)于氣體，反射率為零，于是有根據(jù)Kirchhoff定律，光譜發(fā)射率為4氣體的發(fā)射率1〕確定氣體的發(fā)射率2〕利用計(jì)算氣體的發(fā)射輻射。與射線程長(zhǎng)關(guān)s系親密，而s取決于氣體容積的外形和尺寸。如圖8-18所示。3〕為了使射線程長(zhǎng)均勻，人們引入了當(dāng)量半球的概念，其半徑就是等效的射線程長(zhǎng)，見(jiàn)圖8-19所示。典型幾何容積的氣體對(duì)整個(gè)包壁的平均射線程長(zhǎng)列于表8-1中。在短少資料的情況下，恣意幾個(gè)外形氣體對(duì)整個(gè)包壁的平均射線程長(zhǎng)可按下式計(jì)算：式中，V為氣體容積，m3；A為包壁面積，m2。圖8-18氣體對(duì)不同地域的輻射圖8-19半球內(nèi)氣體對(duì)球心的輻射除了與s有關(guān)外，還與氣體的溫度和氣體得分壓力有關(guān)，于是我們有如下關(guān)系利用上面的關(guān)系，可以采用實(shí)驗(yàn)獲得，圖8-20給出了