辐射传热的计算

辐射传热计算,基 本 要 求,1掌握辐射角系数的定义、特性及常用计算 方法，并能针对实际情况计算角系数2能进行两表面系统的辐射传热计算3能针对实际辐射传热系统熟练绘制辐射网 络图，并能应用网络法进行多表面系统的 辐射传热计算4了解辐射性气体与非辐射性气体的概念、 气体辐射的特点5能进行辐射传热过程强化与削弱的分析(包 括进行有遮热板的辐射传热系统),主 要 内 容,重点：固体表面间辐射传热的计算,角系数的定义、性质及计算两表面封闭系统的辐射传热 1、两黑体间的辐射传热 2、由两个等温的漫灰表面组成的封闭 系统的辐射传热多表面系统的辐射传热辐射传热的强化与削弱综合传热问题分析,9.1 辐射传热的角系数 辐射换热计算的基础,一、角系数的定义 二、角系数的特性：相对性、完整性、可加性三、角系数的计算：直接积分法、代数分析法、几何分析法、形状分解法,9.1.1 角系数的定义及计算假定,假定：(1)所研究表面是漫射的 (2)在所研究表面的不同地点上向外发射的 辐射热流密度是均匀的,定义: 表面i发出的辐射能中 落到表面j上的百分数， 称为表面i对表面j的角 系数，记为Xi，j,角系数是一纯几何因子,9.1.2 角系数的性质相对性、完整性、可加性,1.角系数的相对性：,2、角系数的完整性：,对于图示由n个表面所组成的封闭系统，有：,其中：对于平面或凸面，Xi，i=0 对于凹面，Xi，i0,3、角系数的可加性：,广义形式：,9.1.3 角系数的计算方法,1、直接积分法（数学分析法） 直接利用角系数的定义，得,几种典型三维几何体系的角系数线算图见399，P400；相应的角系数计算公式见P402表9-2； 某些二维结构的角系数计算公式见P401表9-1,2、代数分析法*利用角系数的三个性质求解,结果：,结果：,(2)交叉线法,条件：a.二个表面均为非凹 表面； b.垂直于纸面方向为 足够长,3、根据已知几何关系的角系数, 推出其他几何关系 的角系数-也称形状分解法,关键：,实例：例题9-1,4、几种特殊几何关系的角系数,(2)两平行大平板：,(1)包容关系（1是被包物体凸面）,其中，X2,（1+A）、 X2,A可由线算图查得； A1、A2已知,P404例9-1：求角系数X1，2,例：求锅炉炉堂内火焰对水冷壁管的角系数,9.2 两表面封闭系统的辐射传热,前提：固体表面间的介质对热辐射透明(透热介质),9.2.1 两黑体表面组成的封闭腔的辐射传热,1. 封闭腔模型 在辐射传热计算中, 计算对象必须是包含所 研究表面在内的一个封闭腔。该封闭腔的表面 可以是真实的，也可以部分是虚构的。 这样，在计算任何一个表面与外界之间的 辐射传热时，可保证把由该表面向空间各个方 向发射出去的辐射能及由空间各个方向投入到 该表面的辐射能均包括进去。,2. 两黑体表面封闭系统的辐射传热,灰体间辐射传热的特点：存在多次吸收和反射过程,9.2.2 有效辐射,1. 有效辐射的定义,有效辐射J 在单位时间内离开表面单位表面积的总辐射 能，称为该表面的有效辐射,投入辐射G 单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能， 称为对该表面的投入辐射,假定:表面温度均匀,且发射特性和吸收特性是常数,2. 有效辐射与辐射传热量的关系(参见右图)：,注：考虑到表面1的任意性，后 两式中已删除了下角码“1”,或：,9.2.3 两个漫灰表面组成的封闭腔的辐射传热,将式（9-12）分别应用于表面1、2，有：,参照黑体公式(9-11),对于两灰体表面间的辐射传热有：,上面三式联立求解（ ） ，解得：,式中，,称为系统发射率(其值与辐射传热系统的组合有关,1),特例（简化）：,2、,典型实例：热水瓶胆、贮液容器、双层玻璃窗等等,3、,典型实例：放置于大房间内的小物体（如高温管道）与房间壁间的辐射传热；热电偶节点（或其他温度计的温包）与管壁间的辐射传热；厂房内设备的辐射散热；锅炉观察窗与炉膛壁间的辐射传热，等等。,例：q、的计算（P408-410）,例9-2：液氮储存容器单位面积散热量q的计算 简化成两无限大平行平板处理,例9-3：置于方形砖槽道内的钢管辐射热损失的计算 直接用公式（9-15）或近似采用A1/A20 模型,例9-4：圆筒形埋地式加热炉热损失的计算* （同类型问题：热金属板中的孔壁对外辐射）,处理方法：(1)将开口看作温度为环境温度的黑体(2)温度、黑度条件相同且相连的内表 面作为一个表面处理,三个等温黑表面组成的封闭腔辐射,9.3 多表面系统的辐射传热,2、计算方法： 网络法* 把辐射热阻比拟成等效的电阻，从而 通过等效的网络图来求解辐射传热 数值法（原理同导热问题的数值计算）,1、本节讨论重点：某一表面的净辐射传热量的计算 工程计算的主要目的 某一表面的净辐射传热量 为该表面与其余各表面分别传热的传热量之和,9.3.1 两表面换热系统的辐射网络,1、表面网络单元,特例：黑体， =1， Rs =0，Eb=J； 大表面(A很大)， Rs 0， Eb J,等效电路图：,2、空间网络单元,由式（d）：,得：,等效电路图：,(1)画出等效的辐射网络图，并求出各热阻值及与 各表面温度对应的Eb值；,(2)列出各节点的节点电流方程（依据：直流电路 中的基尔霍夫定律），得一代数方程组；,(3)求解上述代数方程(组)，得各节点电势值Ji*；,(4)计算辐射传热量。其中：,9.3.2 多表面封闭系统辐射网络法求解步骤,(1)分析辐射换热系统的换热情况，确定参与换热的表 面个数，并进行编号；,(2)画出节点（每一换热表面为一个节点），并依次 标为J1、J2、J3、等等；,(3)逐个分析换热表面的特性，确定表面热阻： 表面为黑体时，表面热阻为零，J=E b； 大表面的表面热阻趋近于零，JE b；,(4)逐个分析两两表面间的换热情况，确定空间热阻： 如两表面可见，则在该两表面间连一空间热阻； 如两表面不可见，则不连空间热阻(断开)。,辐射网络图的画法,（1）二个灰体表面间的辐射换热网络图：,辐射网络图画法举例：,（2）三个灰体表面间的辐射换热网络图：,（3）四个灰体表面间的辐射换热网络图,9.3.3 三表面封闭系统中的几个特例,(2)其中一个表面为大表面，则 表面热阻为：,注意(a)(b)两种情况的差别,对于(b)或(c),有,例9-5： 两块温度、黑度、尺寸 及间距一定的平行平板置于 温度恒定的大房间内 (平板 背面不参与换热) 求：(1)每板的净辐射散热量 (2)厂房墙壁得到的辐射热量,分析：板1、2为灰表面， 厂房3 为灰表面（大表面，表面热阻可视为零）,例9-6：大房间的墙壁为重辐射面，其他同例9-5 求：温度较高表面的净辐射散热量 即求,注意：1、多表面系统表面的划分依据：以热边界条件为 主（不应纯按几何面划分）2、前面讨论问题均为第一类边界条件；其他边界 条件下的求解及结果可参见文献1、23、计算中应注意有效数字的位数，特别是在求各 节点的有效辐射 Ji 时。,例9-7：辐射采暖房间，顶棚设置加热器 求：(1)顶棚总辐射热量 (2)其他表面的净辐射换热量 注意表面的划分方法,问题类型： 四个灰体表面组成的封闭腔的辐射换热问,网络图,其中:1(顶棚)-加热面 2,3侧墙 4地板,9-4 气体辐射的特点（简介）,常见的辐射性气体：三原子气体、多原子气体、 结构不对称的双原子气体(如CO)非辐射性气体(热辐射的透明体) ：结构对称的 双原子气体,辐射性气体具有发射和吸收辐射能的能力的气体,9.4.1 气体辐射的特点：,1. 气体辐射对波长有(强烈的)选择性 只在某些波长区段内具有辐射能力, 相应地 也只在同样的波长区段内才具有吸收能力,辐射性气体的光带见P420图9-27,2. 气体的辐射和吸收在整个容积中进行,就吸收而言, 投射到气体层界面上的辐射能通过吸收性气体层时，在辐射行程中被气体吸收而减弱; 就辐射而言, 气体层界面上所感受到的辐射为到达界面上的整个容积中的气体的辐射.,被辐射性气体（吸收性介质）所隔开的两表面间的辐射换热计算略.,9.5 辐射传热的控制(强化与削弱),要求：了解强化与削弱辐射传热的基本方法及其工程应用,9.5.1 控制物体表面间辐射传热的基本方法 (前提: 冷、热表面温度一定, 即Eb1、Eb2一定) 控制表面热阻 控制空间热阻,1. 控制表面热阻,(1)改变表面积A,(2)改变换热表面的发射率* 首先改变对辐射传热影响最大的那一表面的 发射率(即串联环节中表面热阻最大的表面)； 当辐射传热同时涉及温度较低的红外辐射与 温度较高的太阳辐射时, 控制红外辐射的发射率与 对太阳辐射的吸收比应同时入手.,应用实例: 太阳能集热器中的选择性涂层要求: 红外辐射的发射率尽可能地小, 对太阳辐射 的吸收比s尽可能地大.,2. 控制空间热阻,(1) 改变表面积A,(2) 改变两表面的布置以改变角系数* 如对于两无限大平板，平行放置时的角系数最大,应用实例: 送风式电子器件机箱中的元件布置,特征：遮热板在整个辐射传热系统中并不放出 或带走任何热量，只是在热流通路中另 外添加了阻力，使得整个传热过程受到 阻碍，即阻隔辐射传热 。,9.5.2 遮热板的原理及应用,1 、遮热原理分析主要掌握分析方法,关键：在热稳态情况下有q1,3=q3,2=q1,2,推导过程,由式（9-16）得：,利用热稳态条件q1,3=q3,2=q1,2，从上面两式消去Eb3后可解得：,上式中，q1,2(0)为无遮热板时表面1，2间的辐射传热量,附：加一块遮热板，但三板黑度不同(仍都为灰体)时,利用热稳态条件从上面两式可解得：,消去Eb3后得：,1=2=3=时即为前式,结论,在两黑度相同的平行平板间加入黑度相同的 n 块遮热板，其辐射传热量将减小为原来的1/(n+1)。所加遮热板的黑度越小、遮热板块数越多，遮热效果越明显,汽轮机中, 用于减少内、外套管间的辐射传热用于低温容器（杜瓦瓶）隔热保温；用于超级隔热油管；用于提高测温准确度。 如：遮热罩抽气式热电偶(可减少测温误差) 等等。,2.遮热板的应用实例,第9-6节 传热问题综合分析 提出问题、作出假设、 建立模型、理论求解,实例：1、炉膛辐射热流密度的测定2、遮热罩抽气式热电偶测温3、轿车后窗玻璃的热分析,9.6.1 炉膛辐射热流密度的简易测定方法,假定：(1)过桥的导热系数为常数；(2)忽略过桥背火面与炉墙间的辐射传热；(3)火焰对过桥表面的辐射热流均匀；(4)辐射热流一经表面吸收即成为平行于过桥 壁面而向两侧传导的导热热流；(5)过桥表面温度远低于火焰温度；(6)忽略过桥表面与烟气间的对流传热。,热平衡关系：,求解结果：,9.6.2 遮热罩抽气式热电偶测温,(2)加遮热罩后,遮热罩温度t3tw，热平衡关系为：,P436例：热电偶测温问题计算 无罩时：测温绝对误差206.2 测温相对误差20.7% 有罩时: 测温绝对误差48.8 测温相对误差4.88%,轿车后窗玻璃的热分析,假设：(1) 内热源（电热丝产热）均匀；(2)玻璃中的导热过程为一维稳定过程；(3)内侧复合表面传热系数ht,i与外侧表面传热系 数h0均已知,热平衡关系：,9.6.3 辐射传热系数,定义：,即：,称为辐射传热表面传热系数简称辐射传热系数，其值与系统情况有关,1、角系数的定义 2、角系数的特性：3、角系数的计算：,相对性、完整性、可加性,直接积分法(线算图)；代数分析法(三解形法、交叉线法)；形状分解法；几种典型几何关系的角系数： 包容关系(X1,2=1)、 两平行大平板(X1,2=X2,1=1),第9章 小 结,一、角系数的定义、性质及其计算,9.2 两表面封闭系统的辐射传热,一、黑体间的辐射换热,关键：角系数的计算,二、由两个等温的漫灰表面组成的封闭系统 的辐射换热,1、有效辐射与投入辐射的概念 2、辐射换热计算公式,几个特例（简化）：,1、表面1 为非凹表面，X1，2=1:,2、,典型实例：热水瓶胆、贮液容器、双层玻璃窗等,3、,9.3 多表面系统的辐射传热-辐射网络法*,1. 两表面间的辐射换热量i,j与某一表面的净 辐射换热量i的差别2. 表面热阻与空间热阻及相应的网络单元3. 网络图的画法,特例：黑体, =1, Rs =0，Eb=J； 大表面, Rs 0， Eb J,4. 多表面封闭系统辐射网络法求解步骤,5. 三表面封闭系统中的几个特例(1)其中一个表面为黑体(2)其中一个表面为大表面(3)其中一个表面为绝热面(重辐射面),6. 运用网络法时应注意的问题：(1)多表面系统表面的划分依据：以热边界条件为主 (不应纯按几何面划分)(2) 计算中应注意有效数字的位数，特别是在求各节 点的有效辐射 Ji 时。,9-4 气体辐射的特点,1. 辐射性气体的概念及辐射性气体与非辐射性气体的区分,2.气体辐射的特点,气体辐射对波长有选择性(2) 气体的辐射和吸收在整个容积中进行,9.5 辐射传热的控制(强化与削弱),要求：