辐射传热的计算分解PPT学习教案

1、会计学1辐射传热的计算分解辐射传热的计算分解 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)第1页/共79页 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

2、与削弱综合传热问题分析第2页/共79页 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 第3页/共79页9.1.1 角系数的定义及计算假定ijijiX,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第4页/共79页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：)29(,ijjjiiXAXA第5页

3、/共79页2、角系数的完整性：), 2 , 1()39(11,2,1 ,njXXXXniijnjjj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第6页/共79页3、角系数的可加性：)48(12, 12, 1niiXXnkjkijiXX1,广义形式：第7页/共79页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 122212112, 1coscos1A ArdAdAA

4、X(9-6)其结果用线算图表示。第8页/共79页2、代数分析法*利用角系数的三个性质求解 结果：13212,12 AAAAX13212LLLL(1)三角形法条件：a.三个表面均为非 凹表面； b.垂直于纸面方向 为足够长第9页/共79页结果：abbdacbcadX2)()(2 , 1的断面长度表面不交叉线之和交叉线之和12(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 足够长第10页/共79页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：ACABCBCABACBAXXAXXXX,)(,)( ,实例：例题9-1第11页/共79页4、几种

5、特殊几何关系的角系数(2)两平行大平板：11 ,22, 1 XX(1)包容关系（1是被包物体凸面）212,1211 ,22,1, 1FFXFFXX第12页/共79页1, 2)1( , 2211 , 222, 1)(AXXAAXAXAA相对性可加性其中，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第13页/共79页例：求锅炉炉堂内火焰对水冷壁管的角系数第14页/共79页ADBCDAMBADADBCDAMBADXXAMBAD222,_第15页/共79页9.2 两表面封闭系统的辐射传热黑体间的辐射传热两个漫灰表面组成的封闭腔的辐射传热1、两个概念：有

6、效辐射、投入辐射2、辐射换热计算公式前提：固体表面间的介质对热辐射透明(透热介质)第16页/共79页 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。第17页/共79页)119()()(:211 , 22212, 111 , 2222, 11112212, 1bbbbbbEEXAEEXAXAEXAE传热量两黑体表面间

7、的净辐射角系数的相对性单位时间内从表面1上发出到达表面2的辐射能：2, 11121XAEb单位时间内从表面2上发出到达表面1的辐射能：1 ,22212XAEb2. 两黑体表面封闭系统的辐射传热第18页/共79页灰体间辐射传热的特点：存在多次吸收和反射过程两无限大灰体平行平板间的多次反射和吸收过程9.2.2 有效辐射第19页/共79页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第20页/共79页2. 有效辐射与辐射传热

8、量的关系(参见右图)：)()1 (11111111aGEGEJb注：考虑到表面1的任意性，后 两式中已删除了下角码“1”)(11111bGJAq表面1的能量收支差额为：)(1111cGEq或：)129()11(qEJb或：1JEqb第21页/共79页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：1 ,2222222, 111111)11(;)11(bbEAAJEAAJ参照黑体公式(9-11),对于两灰体表面间的辐射传热有：)(1 , 2222, 1112, 1dXJAXJA第22页/共79页上面三式联立求解（ ） ，解得： 1 , 22 , 1)(*)

9、139()11(1)11()()139(111212, 112212, 112112222, 11111212, 1bbsbbbbEEXAbAAXEEAaAXAAEE式中，)11()11(1 121 ,212, 1XXs称为系统发射率(其值与辐射传热系统的组合有关,1)第23页/共79页特例（简化）：1、表面1 为非凹表面，X1，2=1。则：)159()() 11(1)(21122112112, 1bbsbbEEAAAEEA其中，系统黑度为：) 11(112211AAs2、:),( 121则有如两无限大平行平板AA)169(111)(212112,1bbEEA典型实例：热水瓶胆、贮液容器、双层

10、玻璃窗等等 第24页/共79页3、)179(21112, 1bbEEA:),1(1,01221则有为非凹表面且XAA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。第25页/共79页例：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 模型第26页/共79页例9-4：圆筒形埋地式加热炉热损失的计算* （同类型问题：热金

11、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)()(313,11323,223,13,2bbbbEEXAEEXA第27页/共79页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第28页/共79页9.3.1 两表面换热系统的辐射网络1、表面网络单元

12、由式（9-12）得：)189(11AJEJEqbb或式中：A1,1 称为表面辐射热阻，Rs（由表面的非黑性引起）特例：黑体， =1， Rs =0，Eb=J； 大表面(A很大)， Rs 0， Eb J)129() 11(qEJb第29页/共79页等效电路图：AJEb11JEqb第30页/共79页2、空间网络单元由式（d）：)(212, 111 , 2222, 1112, 1JJXAXJAXJA)199(111 ,22212, 11212, 1XAJJXAJJ得：式中：称为表面1,2间的空间辐射热阻，RP1 , 222, 1111XAXA第31页/共79页等效电路图：1 ,22212, 11212

13、, 111XAJJXAJJ2,1212,11XJJq1 ,2211 ,21XJJq第32页/共79页(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：iiiibiiAJEi1:的净辐射传热量表面jiijijiXAJJji,1:,间的净辐射传热量表面9.3.2 多表面封闭系统辐射网络法求解步骤第33页/共79页(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

14、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)。辐射网络图的画法第34页/共79页（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：J1J2Eb1111AEb22221A2,111XA2222,11111212,1111:AXAAEEbb则1,2第35页/共79页（2）三个灰体表面间的辐射换热网络图：第36页/共79页（3）四个

15、灰体表面间的辐射换热网络图第37页/共79页9.3.3 三表面封闭系统中的几个特例(三元方程简化为二元方程)(1)其中一个表面为黑体 表面热阻为：333333, 01bsEJAR故(3)其中一个表面绝热（重辐射面），则 )(, 03333TEJqb可由该式求得 将节点3作浮动节点（普通节点）处理(2)其中一个表面为大表面，则 表面热阻为： 333333, 01bsEJAR故第38页/共79页注意(a)(b)两种情况的差别第39页/共79页对于(b)或(c),有3 , 23 , 12, 12, 112, 33 , 13 , 23 , 12, 13 , 23 , 112, 1212123 , 23

16、 , 12, 11)/(RRRRRRRRRREERRRRRRbb总总122, 13 , 12, 3第40页/共79页 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）第41页/共79页 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1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

17、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。第42页/共79页 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地板第43页/共79页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第44页/共79页 9.4.1 气体辐射的特点：1. 气体

18、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第45页/共79页第46页/共79页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. 第47页/共79页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

19、法 (前提: 冷、热表面温度一定, 即Eb1、Eb2一定) 控制表面热阻 控制空间热阻第48页/共79页1. 控制表面热阻(1)改变表面积AA1(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.第49页/共79页2. 控制空间热阻jiiXA,1(1) 改变表面积A(2) 改变两表面的布置以改变角系数* 如对

20、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第50页/共79页 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 在辐射传热系统中插在两个辐射传热表面 之间的、用来阻挡(减弱) 辐射传热的薄板遮热板第51页/共79页1 、遮热原理分析主要掌握分析方法例：在两块无限大平行平板 间插入一块面积也是无 限大的遮热板(如图)。假定1= 2= 3= ，且三块板都是灰体(=)关键：在热稳态情况下有q1,3=q3,2=q1,2第52页/共79页推导过程由

21、式（9-16）得：12111121112323232, 33131313, 1bbbbbbbbEEEEqEEEEq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：)0(2,121212,12111121qEEqbb 上式中，q1,2(0)为无遮热板时表面1，2间的辐射传热量第53页/共79页附：加一块遮热板，但三板黑度不同(仍都为灰体)时111;11123232,331313, 1bbbbEEqEEq利用热稳态条件从上面两式可解得：111)1122111(1122212121321213212, 33 , 12, 1bbbbEEEEqqq消去Eb3后得：2133122

22、3131122) 111() 111(bbbEEE,1122111)0(1221321q1=2=3=时即为前式第54页/共79页第55页/共79页2.遮热板的应用实例第56页/共79页第57页/共79页第58页/共79页 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第59页/共79页9.6.1 炉膛辐射热流密度的简易测定方法第60页/共79页假定：(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

23、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。第61页/共79页)(,44wgwwTTxdxdTxx即区段的辐射传热量过桥中心至处的导热热流量距过桥中心热平衡关系：求解结果：20)(2lTTqwlw第62页/共79页9.6.2 遮热罩抽气式热电偶测温(1)裸露热电偶测温：当q1=q2时，热电偶达到某平衡温度t1(tf)() ( 111bWbfEEtth第63页/共79页(2)加遮热罩后遮热罩温度t3tw，热平衡关系为：)1(43231qqqAA) 2(21qq )()(3111bbfEEtth第64页/共79页 P436例：热电偶测温

24、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%第65页/共79页轿车后窗玻璃的热分析第66页/共79页假设：(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：)()()(0 ,0 ,040 ,40 ,fwfwifiwitssTThTTTThG第67页/共79页9.6.3 辐射传热系数定义：tAhrr即：tAhrr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对于同时存在对流与辐射的综合过程，即有：)238()

25、(tAhtAhhtAhtAhtrcrcrcht 称为复合传热表面传热系数第68页/共79页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、性质及其计算第69页/共79页9.2 两表面封闭系统的辐射传热一、黑体间的辐射换热)(211 , 2212212, 1bbEEXA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) 11(1) 11(1112212 , 112112222 , 11111212 , 1AAXEEAAXAAEEbbbb 1、有效辐射与投入辐射的概念 2、辐射换热计算公式)(211 , 2212212, 1JJXA第70页/共79页几个特例（简化）：1、表面1 为非凹表面，X1，2=1:)( 121如两无限大平行平板AA2、典型实