传热-第9章-1

第8章小结 重点掌握以下内容 1 有关热辐射的基本概念 吸收比 反射比 透射比 黑体 灰体 漫射体 人工黑体 辐射强度 辐射力 发射率 黑度 立体角 温室效应 选择性表面等 2 热辐射的基本定律 普朗克定律 斯忒藩 玻耳兹曼定律 维恩位移定律 兰贝特定律 基尔霍夫定律 作业 8 17 8 18 8 21 1 北方深秋季节的清晨 树叶叶面上常常结霜 试问树叶上 下表面的哪一面结霜 为什么 思考题 2 深海水的颜色为什么总是蓝色的 3 火星与地球离太阳的距离相当 为什么与地球相比火星上的昼夜温差却大的多 4 置于室外的冷库应该是什么颜色 深或浅 的比较好 6 材料1 2的半球光谱发射率如图所示 问半球平均发射率如何随温度发生变化 并简要说明之 5 室温下呈黑色的铁棒在炉中加热时 颜色渐呈暗红 红 橙黄 您知道为什么吗 第9章辐射换热计算 假设 1 进行辐射换热的物体表面之间是不参与辐射的介质 单原子或结构对称的双原子气体 空气 或真空 2 每个表面都是漫射 漫发射 漫反射 灰体或黑体表面 3 每个表面的温度 辐射特性及投入辐射分布均匀 8 1角系数的定义 性质及计算 1 角系数的定义 表面1发出的总辐射能中落到表面2上的百分数称为表面1对表面2的角系数 用符号X1 2表示 同理 表面2发出的总辐射能中落到表面1上的百分数称为表面2对表面1的角系数 用符号X2 1表示 角系数 也称为形状因子 可视因子 交换系数等等 根据角系数的定义 有 可以看出 在上述假设条件下 角系数是几何量 只取决于两个物体表面的几何形状 大小和相对位置 2 角系数的基本性质 1 角系数的相对性 互换性 这一性质也可以通过两个黑体表面间的辐射换热而获得 2 角系数的完整性 3 角系数的可加性 分解性 3 角系数的计算方法 主要有积分法 代数分析法 图解法 或投影法 等 1 积分法 根据角系数表达式通过积分运算求得角系数 根据辐射强度的定义 单位时间内离开dAi直接投射到dAj上的辐射能为 离开整个黑体表面i直接投射到表面j的辐射能为 离开整个黑体表面i的总辐射能为AiEbi 根据角系数的定义 同理可得 这就是计算角系数的积分表达式 2 代数法 利用角系数的定义及性质 通过代数运算确定角系数 图 a b 图 c 图 d 三个非凹表面构成的封闭空腔 1 如图所示 两组平行表面的大小 形状和相对位置均相同 在垂直面上均为无限长 其中左图表面1的温度自左向右呈线性递增 右图表面1的温度自左向右呈线性递减 二两图中的表面2均相同 显然两种情况下自表面1发出 落到表面2的辐射能量份额不同 即二者角系数不同 而这与 角系数是纯几何因子 相矛盾 如何解释 1 2 1 2 0 25m 2 求下列图形中的角系数X1 2 t A d O B H t 3 如图所示 直径为d的圆柱表面及平面AB在垂直黑板方向均为无限长 求平面与圆柱外表面的角系数XAB O C D 作业 9 6 9 7 9 10 作业 9 23 9 27 9 35 8 2被透热介质隔开的表面间的辐射换热 对于任意位置的两个黑体表面1 2 注意 1 2是两个任意位置的黑体表面1 2之间直接的辐射换热量 没考虑其它表面的影响 1 黑体表面之间的辐射换热 有效辐射 单位时间内离开单位面积表面的总辐射能 用符号J表示 单位是W m2 如果由N个黑体表面构成封闭空腔 2 漫 灰表面之间的辐射换热 如果两个黑体表面构成封闭腔 则两个表面净交换的热量 辐射网络 根据有效辐射定义 单位面积的辐射换热量 表面辐射热阻网络单元 对于黑体表面 1 表面辐射热阻为零 若 T1 T2 表面1 2之间净辐射换热量为 空间辐射热阻网络单元 根据能量守恒 表面2净得 表面1净损失 联立以上三式 可得 两表面封闭空腔的辐射网络 表面1为平面或凸表面 如果 两块平行壁面构成的封闭空腔 称为系统黑度 对于非凹物体表面1和包壳2之间的辐射换热 如果 8 3多个漫灰表面封闭空腔内的辐射换热 封闭空腔内任意一个表面i净损失的辐射热流量等于该表面与所有表面交换的辐射热流量的代数和 即 或者直接根据表面i的有效辐射的定义 原则上 对于N个表面构成的封闭空腔 可以写出每个表面有效辐射节点方程 构成由N个有效辐射节点方程组成线性方程组 只要每个表面的温度 发射率已知 相关角系数可求 就可以通过求解线性方程组得到各表面的有效辐射 进而求得每个表面的净辐射换热量 辐射网络法 只要利用相应的空间辐射热阻将封闭腔所有的有效辐射节点连接起来 就构成了完整的辐射换热网络 进而可以运用电学中直流电路的求解方法 求出各节点的有效辐射及各表面的净辐射换热量 这种方法称为辐射网络法 空腔内表面i与其它表面之间的辐射换热网络单元 两表面封闭空腔的辐射网络 节点的热流方程如下 求解上述方程组得到 A画等效电路图 B列出各节点的热流 电流 方程组 C求解方程组 以获得各个节点的有效辐射 D利用公式 计算每个表面的净辐射热流量 总结上面过程 可以得到应用网络法的基本步骤如下 三表面系统的两个特例 8 4辐射换热的强化与削弱 1 辐射换热的强化 如果 2 辐射换热的削弱 遮热板的原理 为简单起见 假设 如果加n层同样的遮热板 则辐射热阻将增大n倍 300MW汽轮机高压缸储存液态气体的低温容器在航天工程中经常采用超级多层复合隔热材料 每层膜厚6 20 m 膜的表面发射率只有0 02 0 04 同时在膜中间抽真空 垂直于膜厚方向上的当量导热系数低到10 5W m K 3 遮热板应用技术 遮热板在测温技术中的应用 热电偶测温 测温误差 测温误差和辐射换热量成正比 与对流换热表面传热系数h成反比 裸露热电偶热平衡 当Tf 1000K T2 800K 1 0 8 h 40W m2 K 时 测温误差可达144K 给热电偶端部加一个遮热罩3 热电偶端点的热平衡表达式 遮热罩的热平衡表达式 当遮热罩的表面发射率为 3 0 2时 联立求解以上两式 可求得测温误差 可见 加遮热罩后 相对测温误差由未加遮热罩的14 4 降低到4 4 抽气式热电偶 遮热罩做成抽气式 以便强化燃气与热电偶之间的对流换热 提高表面传热系数h 减少测温误差的方法 8 5气体辐射 1气体辐射的基本特征 CO2和H2O的主要吸收光带 2 气体的发射和吸收均在整个容积当中进行 2气体的发射率和吸收比 k 称为光谱减弱系数 单位是m 1 将上式在厚度S上积分 1 贝尔定律 Beer slaw 单色穿透比 根据基尔霍夫定律 射线平均行程S的确定 V为气体容积 m3 A为包壁面积 m2 2 气体的发射率 工程中广泛采用霍特尔 H C Hottel 提出的方法进行计算 影响因素 a 气体的种类 压力 温度以及辐射波长 b 射线程长S 混合气体中水蒸气的发射率 总压力为105Pa 不考虑分压力的单独影响 为总压力不等于105Pa及考虑分压力单独影响的修正系数 水蒸气的压力修正系数 混合气体中二氧化碳的发射率 二氧化碳的压力修正系数 在燃烧产物中 一般二氧化碳和水蒸气并存 混合气体的发射率可用下式计算 是考虑二氧化碳和水蒸气并存 光带重叠 相互吸收而造成总发射率减小的修正量 水蒸气和二氧化碳混合物相互吸收导致的修正量 3 气体的吸收比 气体的辐射和吸收对波长具有选择性 Tw为气体包壳的壁面温度 水蒸气和二氧化碳混合物的总吸收比 霍特尔 3气体与包壳间的辐射换热 包壳是黑体 包壳是灰体 修正 第八章小结 重点掌握以下内容 1 角系数的概念及其计算方法 4 气体辐射的特点 贝尔定律 3 遮热板的原理 2 辐射热阻的概念 辐射换热计算的辐射网络法 5 气体发射率和吸收比的计算方法 气体与包壳间辐射换热的简化计算方法 作业 9 58 9 62 一圆柱型空腔的直径为d 10cm 深度为l 40cm 炉腔内壁面发射率为 0 2 空腔内壁面温度为727 试问 1 单位时间内从空腔发射出多少辐射能 2 如果空腔所在的室内周围壁面温度为27 单位时间内空腔的净辐射散热损失为多少 3 如果保持空腔的几何尺寸不变 将空腔设计成发射率大于0 99的人工黑体腔 试问空腔内壁面的发射率至少多大 解 1 假设空腔开口为一温度为0K的黑体表面2 则空腔内壁面1与该黑体表面2间的辐射换热量即为从空腔发射出的辐射能 2 单位时间内空腔的净辐射散热损失 由上式可解得 3 依题意 设空腔内壁面的发射率至少为 则从空腔口发射的辐射能为 预设计一个开口半径为r 1cm 开口发射率为0 999的球型人工黑体腔 已知空腔内壁材料表面黑度为0 9 试确定黑体腔半径R的大小 解 根据发射率的定义 从人工黑体腔开口发射出去的辐射能为 式中E为人工黑体腔开口的辐射力 Eb为温度等于人工黑体腔温度的黑体的辐射力 可以看出 空腔的开口相对于空腔内表面积愈小 内壁面发射率愈大 人工黑体愈接近于绝对黑体 有两个薄金属板做