第四章 辐射传热

.第4章 辐射传热9-2 该题要注意以下几个问题：求单位面积容器壁的散热量就是指求热流密度q。题目中给定的是摄氏温度，要注意化成热力学温度，否则计算结果肯定是错误的。抽低真空是保持夹层保温效果的有效途径。使用的求热流密度的表达公式要切记！9-3 该题要注意面积的求解，有四个壁面，钢管前后是空的，不能计算面积。再举一例：如附图所示的人工黑体空腔，温度为T2，内表面积为A2，发射率为2。小孔的表面积等于A1。试推导小孔表观发射率的计算式。表观发射率的定义为：小孔在空腔表面温度下的辐射能与相同面积、相同温度下的黑体辐射能之比。解：空腔为漫灰表面且温度均匀，但小孔不是漫灰表面，无法应用公式，怎么办？可作小孔外的假想包壳面3的漫灰表面，并设定它的温度为T3，内表面积为A2，发射率为2。这样就可以应用公式了。 空腔内表面与外部环境间的辐射热交换可以表示为：第 页 从小孔的角度分析，也可以认为热交换发生在小孔与环境之间，可设小孔的表观发射率为1。因此以上两个表达式从不同角度描述了同一个换热问题，即应有 另一方面，小孔表面的温度与空腔内表面温度是相同的。即T1=T2。于是有：考虑到X2,3=X2,1以及互换性有A2X2,3=A2X2,1=A1X1,2,经过化简之后，可得到表观发射率为：由此可见，小孔的表观发射率仅与两个因素有关，即空腔内壁的实际发射率和小孔面积与腔壁表面面积之比。同时，小孔的表观发射率与空腔表面温度无关，与周围环境状况也无关。4.7 辐射传热的控制（强化与弱化）研究辐射传热的目的就是为了能够控制传热的强化与弱化。下面介绍两个概念：表面热阻及空间热阻。由有效辐射公式 ，可得 以及 同时由可得结合电学中的欧姆定律可见：换热量相应于电流强度；Eb-J或J1-J2相当于电动势差；分别称为辐射传热的表面热阻及空间辐射热阻。第 页4.7.1 控制物体表面间辐射传热的方法 1、控制表面热阻 由表面热阻的定义 ，通过改变表面积A或改变发射率来实现。表面积一般不好改变，最有效的方法是改变表面发射率。对于两个不同表面，具有两个不同的发射率，首先应当改变对换热量影响最大的那个表面发射率。 比如有两无限长同心圆柱表面所组成的封闭系统，1=2=0.5，A1=1/10A2。表面1对2产生的辐射能量为，也就是内圆柱面的热阻比外圆柱面热阻大得多，因此，要强化换热效果，就要想方设法减小各串联环节中最大的热阻项。 当物体的辐射传热涉及到温度较低的红外辐射与太阳辐射时，强化或削弱辐射换热需要从控制红外辐射的发射率与对太阳辐射吸收的吸收比同时入手。以太阳能集热器为例，要考虑两方面： 吸收尽可能多的太阳能； 减少吸热板由于自身对外辐射而引起的热损失。因此需要采取的措施包括吸热板对太阳能的吸收比应尽可能大； 自身的发射率则要尽可能小。 常识：太阳辐射的主要能量集中波长区间：0.3-3m。常温下物体的红外辐射的主要能量在波长大于3m范围。所以在太阳能利用中吸热面材料的理想特性应是：在0.3-3m的波长范围内的光谱吸收比接近于1，而大于3m的波长范围内的光谱吸收比接近于零。也就是，要求s尽可能大，而尽可能小。 因此， s/比值是评价材料吸热性能的重要依据。用人工的方法改造表面，对材料表面覆盖涂层是提高s/值的有效途径，这种方法涂层称为光谱选择性涂层，比如在同才上电镀黑镍。黑镍镀层的厚度对表面特性的影响见表，由表中可以看出，黑镍镀层可使s/值提高到10左右，采用光谱选择性涂层是提高集热器效率的重要措施。 人造地球卫星为了减少迎阳面（直接受到阳光照射的表面）与背阳面之间的温差，采用对太阳能吸收比小的材料作表面涂层；置于室外的发热设备（如变压器），为了防止夏天温度过高而用浅色油漆作为涂层，这些都是为了减少发射率（吸收比）的方法来削弱传热的例子。第 页2、控制表面的空间热阻 根据空间热阻的定义中面积A取决于工艺条件，所以改变空间热阻需要调整物体的辐射角系数。例如要增加一个发热表面的散热量，则应增加该表面与温度的表面间的辐射角系数。 当然，为了削弱两个表面间的辐射传热，采用遮热板是一种非常有效的方法，它能够使两种辐射热阻同时得到大幅度提高。4.7.2 遮热板的原理及其应用 1. 遮热板削弱辐射传热的原理 所谓遮热板是指插入两个辐射传热表面之间用以削弱辐射传热的薄板。下面来分析在两平行板之间插入一块金属薄板所引起的辐射传热的变化。辐射表面和金属般的温度、吸收比如图所示，假设平板和金属薄板都是灰体，并且1=2=3=。于是得到下列两式：其中，q13q32分别为表面1对遮热板3和遮热板3对表面2的辐射传热热流密度。表面1、3及表面3、2两个系统的系统发射率相同，都是：在热稳态条件下，q1,3=q3,2=q12将上两式相加得，q1,2=1/2s(Eb1-Eb2)由此可见，与未加金属薄板时的辐射传热相比，其辐射传热量减小了一半。当然为了使削弱效果更为显著，实际上都是采用发射率低的金属薄板作为遮热板。当一块遮热板达不到削弱换热的要求时，可以采用多层遮热板。2. 遮热板的应用（1）遮热板在绿地上的应用 绿地中草坪由于受其下方埋设的热力管道或周围的热力井的影响，夏季出现枯黄甚至死亡现象。与周围草坪形成鲜明的对比，严重影响绿地底色的效果。人们利用隔热板的保温绝热性能，将其包裹在热力井周边或覆盖在热力管道上，用来阻止热力管道或热力井散发的热能向周围土壤传递，达到抑制土壤温度过高的目的，促使草坪等植物正常生长，以第 页保持良好的绿地景观。（2）遮热板应用于储存液态气体的低温容器 储存液氮、液氧的容器需要良好的保温效果，采用多层遮热板并抽真空就可以达到这样的目的。遮热板本身用塑料薄膜制成，上面涂以反射比很大的金属箔层。箔层间以质轻且导热系数小的材料作为分隔层，绝热层中抽成高真空，可制成超级绝热材料。（3）遮热板用于超级隔热油管 石油的特性就是粘度很大，且埋藏很深，开采时需注射高温高压蒸汽使石油稀释，在将蒸汽输送的过程中，要减少散热损失。因此在制造超级隔热油管时采用类似低温保温容器的多层隔热板并抽真空的方式制造。小结：1、辐射传热强化与削弱的概念； 2、控