传热学第六章辐射换热计算

6-1 角系数6-2 黑体间的辐射换热 6-3 封闭体内灰体表面间的辐射换热 6-4 遮热板及其应用6-5 炉内辐射简介 第六章 辐射换热计算Date 1第六章 辐射换热计算1.掌握角系数的意义、性质及确定方法。2.熟练掌握简单几何条件下两表面间辐射换热的计算方法。3.掌握遮热板的原理及其应用。 基 本 要 求Date 2第六章 辐射换热计算第一节 角系数 一 、 角系数的定义二、角系数的性质三、角系数的确定方法Date 3第六章 辐射换热计算一 、 角系数的定义假定：1.所研究表面发射与反射均与方向无关。2.在所研究表面的不同地点上，发射辐射和投入辐射热流密度是均匀的。3.进行辐射换热的表面之间是透热介质。参与换热的表面温度均匀，发射率均匀，反射比均匀，投入辐射也均匀分布 角系数成为一个纯几何量，仅与物体的形状、大小、距离和相对位置有关。Date 4第六章 辐射换热计算角系数 Xi， j： 对于两个任意位置的表面 i、 j， 离开表面 i的总辐射能中直接投射到表面 j上的份额 ,称为 表面 i对表面 j的角系数 。Xi， j中角标 i、 j表示表面 i是发射辐射的表面，表面 j是接受辐射的表面。如 X1， 2表示表面 1对表面 2的角系数离开表面 i的总能量包含本身辐射与对外来投入辐射的反射辐射。Date 5第六章 辐射换热计算二、角系数的性质1. 角系数的相互性两个黑体表面间进行辐射换热时，表面 1辐射到表面 2的辐射能为 12 Eb1A1 X1， 2 （ a）同理 21 Eb2A2 X2， 1 （ b）由于两个表面都是黑体，落到表面上的辐射能被全部吸收 两个黑体表面间的净辐射热流量 为 : 1， 2 12 -21 Eb1A1 X1， 2-Eb2A2 X2， 1 （ c）Date 6第六章 辐射换热计算若两表面温度相等，则净辐射热流1， 2 0，且 Eb1 Eb2， 由式（ c） 可得 : A1 X1， 2 A2 X2， 1 角系数的相互性 角系数是纯几何量，与是否为黑体 无关 角系数的相互性适用于各种表面。已知一个角系数，可方便地由几何特性利用角系数的相互性求得另一个角系数。 Date 7第六章 辐射换热计算2.角系数的完整性对于 n个表面组成的封闭系统，据能量守恒定律，任一表面发出的总辐射能必全部落到组成封闭系统的 n个表面上 任一表面对各表面的角系数之和为 1。 若表面 i是平面或凸面，则有 Xi， i 0Xi， 1 Xi， 2 X i， i X i， j X i， n=1角系数的完整性Date 8第六章 辐射换热计算3.角系数的可加性根据能量守恒定律， A1发出的辐射能中到达 A2 3的能量，等于到达 A2和 A3的能量之和 J1A1X1,(2+3) =J1A1X1,2 J1A1X1,3 X1,(2+3) X1,2 X1,332注意： 利用角系数的可加性，只有对角系数符号中第二个角码是可加的。Date 9第六章 辐射换热计算据角系数的相互性（ A1 X1,2 A2 X2,1） 三、角系数的确定方法这里主要介绍定义直求法和代数分析法。 1. 定义直求法例如求图中所示表面间的角系数。 A1非凹 X1,1 0据角系数的完整性 X1,2=1Date 10第六章 辐射换热计算2.代数分析法基础：角系数的性质例如，三个非凹表面组成的封闭系统，三个表面面积分别为A1、 A2、 A3,在垂直于纸面方向是很长的，试求所有相关角系数。 三个表面之间相关角系数有 X1,2、 X1,3、 X2,1、 X2,3、 X3,1、 X3,2, 据角系数的完整性和相互性可得：Date 11第六章 辐射换热计算由六个方程，即能解出六个待定的角系数 【 例 6-1】 【 例 6-2】 【 例 6-3】 返回Date 12第六章 辐射换热计算第二节 黑体间的辐射换热 一般离开某一表面的辐射能包括本身辐射和反射辐射两部分，到达其它表面会被吸收、反射和透射。由于黑体的特殊性， 离开黑体表面的辐射能只是本身辐射，落到黑体表面的辐射能全部被吸收 使得黑体表面间的辐射换热问题简化。Date 13第六章 辐射换热计算一、两个黑体表面之间的辐射换热计算二、三个黑体表面之间的辐射换热计算Date 14第六章 辐射换热计算一、两个黑体表面之间的辐射换热计算对于任意相对位置的两个黑体表面 1、2，其温度分别为 T1、 T2， 面积分别为 A1、A2 表面 A1发出的辐射能为 A1Eb1， 落在表面 2上的份额为 A1Eb1X1,2；同理，表面 A2发出辐射能落在表面 1上的份额为 A2Eb2X2,1。黑 表面 1、 2之间交换的辐射换热量为： 1， 2 A1Eb1X1,2 A2Eb2X2,1 Date 15第六章 辐射换热计算根据角系数的相互性（ A1X1,2 A2X2,1） 1,2 A1X1,2（ Eb1 Eb2） A2X2,1（ Eb1 Eb2） 每两表面构成的空 间 都有一个 空 间 网 络单 元 。黑体 空间辐射热阻网络空间辐射热阻Date 16第六章 辐射换热计算由三个黑体表面组成的封闭腔，表面之间相互发生辐射换热，每一表面的净辐射热流等于该表面与另外两表面的辐射换热量的代数和。表面 1的净辐射热流： 二、三个黑表面之间的辐射换热计算 若表面 1是非凹面，则 X1,1 0 1 A1X1,2(Eb1-Eb2) A1X1,3(Eb1-Eb3) Date 17第六章 辐射换热计算三个黑面 空间辐射热阻网络【 例 6-4】Date 18第六章 辐射换热计算第三节 封闭体内灰体表面间的辐射换热工程上涉及到的辐射换热大多是实际物体表面，为了研究方便，把实际表面处理成与方向无关的灰体表面，并且进一步作如下假设： 封闭体内每个表面都是等温面； 各表面均不透热，具有均匀性质； 表面之间的介质不参与辐射换热。Date 19第六章 辐射换热计算一、表面辐射热阻二、两个灰表面组成的封闭腔辐射换热计算 Date 20第六章 辐射换热计算一、表面辐射热阻 对于任一表面 A， 其本身辐射为E=Eb， 投射辐射为 G， 吸收的辐射能为G。 则 向外界发出的辐射能为 （ a）表面 A的净热流密度为q J G （ b） Date 21第六章 辐射换热计算Eb-J 辐 射 热驱动势 差对于灰面 ， 联解（ a） 和（ b）可得：或表面辐射热阻Date 22第六章 辐射换热计算表面热阻取决于表面性质 及表面面积A。 发射率 趋近于 1或表面积 A趋近于无限大时，表面热阻趋近于零。 表面辐射热阻网络表面辐射网络单元如图Date 23第六章 辐射换热计算二、两个灰表面组成的封闭腔辐射换热计算 空腔法 ：由于灰体表面辐射换热的复杂性，总是把涉及到的表面组成封闭腔进行分析计算。任意放置的两个辐射表面 A1、 T1 、 1和 A2 、 T2、 2两表面之间的辐射换热量为 1,2= J1A1X1， 2 J2A2X2， 1 Date 24第六章 辐射换热计算据角系数的相互性 A1X1， 2 A2X2， 11,2= A1X1， 2(J1 J2)空间辐射热阻Date 25第六章 辐射换热计算空间辐射热阻是由于表面几何特性、相对位置的关系，使一表面所辐射的能量不能全部投到另一表面上造成的热阻，与表面的辐射特性无关。空间辐射热阻网络空间辐射热阻网络单元如图Date 26第六章 辐射换热计算表面网络单元和空间网络单元是辐射网络的基本单元。对各种辐射换热问题，可利用两个基本单元用不同的方式联接起来构成相应的辐射网络图，从而方便地求解。两个表面之间的辐射换热网络如图图：两表面封闭系统辐射换热等效网络图Date 27第六章 辐射换热计算系 统 只有两个表面 由 图 可直接写出 :Date 28第六章 辐射换热计算