9.辐射传热计算

,第9章辐射换热的计算,9.1辐射传热的角系数9.2两表面封闭系统的辐射换热9.3多表面系统的辐射换热9.4辐射传热的控制9.5气体辐射的特点及计算9.6综合传热问题,9.1角系数的定义、性质及计算,热辐射的发射和吸收均具有空间方向特性，因此，表面间的辐射换热与表面几何形状、大小和各表面的相对位置等几个因素均有关系，这种因素常用角系数来考虑。9.1.1角系数的定义表面1发出的辐射能(有效辐射J)中落到表面2（投入辐射G）上的百分数称为表面1对表面2的角系数，记作X1,2.如若：漫射体且表面辐射热流均匀，则从能量分配上定义的角系数变成纯几何因子，与物体表面温度与物体性质无关。可采用黑体组成的热平衡系统进行角系数计算。9.1.2角系数解析式,(1)微元面对微元面的角系数黑体微元面dA1对微元面dA2的角系数记为Xd1,d2，则根据前面的定义式有,两微元面间的辐射,同理：,角系数具有相对性,(2)微元面对面的角系数由角系数的定义可知，微元面dA1对面A2的角系数为,同理：,角系数具有可加性,(3)面对微元面的角系数根据角系数的对称性,同理：,(4)面对面的角系数根据角系数的可加性，面A1对面A2的角系数X1,2以及面A2对面A1的角系数X2,1分别为,9.1.3角系数的性质,根据角系数的定义和诸解析式，可获得角系数的代数性质。角系数的相对性(reciprocityrule)角系数的完整性(summationrule)角系数的可加性(superpositionrule),角系数的完整性,由角系数定义：,9.1.4角系数计算方法,求解角系数的方法通常有直接积分法、代数分析法、几何分析法、光模拟法、电模拟法等。直接积分法按角系数基本定义通过求解积分获得角系数的方法。（见9.1.2,并参考P399-402公式与线算图）代数分析法利用角系数的定义与性质，通过代数运算确定角系数的方法。,计算实例1非凹表面组成的系统面积分别为A1,A2和A3（在垂直于屏幕方向为无限长，故从系统两端开口处逸出辐射能可略去不计）。非凹表面：Xi,i=0根据角系数的相对性和完整性得:,通过求解封闭的方程组，可得所有角系数，如X1,2为:,计算实例2求两个非凹无限长相对放置的表面间的角系数。作辅助假想平面ab,cd,ca,db.根据角系数的完整性得:,对在一个方向上长度无限延伸的多表面系统，任意两表面间的角系数均可采用此结构关系，此法称为交叉法。,计算实例3两个凹表面组成的封闭系统。,加一家乡假想辅助面面3则根据角系数完整性，可得,计算技巧利用分析方法的前提是系统一定是封闭的，如果不封闭可以通过做假想面的途径，令其封闭；增加辅助虚构面帮助分析，注意辅助面的出现不能使系统辐射能量分布发生变化，辅助面法也称“张弦法”。,辐射传热计算假设,封闭腔模型；（边界可以为真实边界，也可为假想边界，通常假想边界为假想黑表面；）稳态换热；参与辐射换热的物体表面是漫射（既是漫反射又是漫反射）灰体或黑体表面；进行辐射换热的物体表面之间是不参与辐射透明介质（如单原子、具有对称结构的双原子气体、空气）或真空；每个表面的温度、辐射特性及投入辐射分布均匀。不计对流换热（若要考虑对流换热时，可采用分别处理方法，即认为辐射与对流不耦合）。,9.2两表面封闭系统的辐射传热,【引】投入辐射G：单位时间内投射到表面的单位体积上的总辐射能，(W.m-2)。有效辐射J：单位时间内离开表面的单位面积上的总辐射能(W.m-2)：包括物体表面自身辐射力与其对投入辐射力的反射部分,J=E+G.慢灰体：J=Eb+(1-)G黑体：J=Eb,两表面封闭系统辐射换热计算可采用净热量法与热电网络法。,9.2.1两黑体表面组成的封闭腔,两表面1，2间净辐射传热量为：热电比拟：,表面1发出的热辐射到达表面2的部分,表面2发出的热辐射到达表面1的部分,空间辐射热阻,9.2.2两灰体表面组成的封闭腔,表面1与外界的辐射换热量：,或,则可知,热电比拟,表面辐射热阻,对于黑体表面,对于辐射绝热表面,探讨：如果表面净辐射传热量为0，如何分析？,这种表面称为重辐射面，其具有两重性：,从温度上看，可将其视为黑体；从能量上看，可将其当做反射率为1的表面；故重辐射表面是在一定条件下的黑体或白体。,注意：黑体表面J=Eb为源热势，不依赖于其他表面有效辐射及空间热阻；重辐射面J=Eb为浮动热势，其表面温度未定，与其他表面有效辐射及空间热阻相关；,两表面1，2间净辐射传热量为：,根据能量守恒，对于两表面组成的封闭系统,热电比拟：,源热势,节点热势,系统黑度,令,S:系统反射率，是考虑灰体系统发射率之值小于1而引起的多次吸收与反射对换热量影响的修正因子，S1.,几种特例,表面1为凸面或平面，此时，X1,21，故,表面1为凸面或平面，且A1A1(A2),故表面热阻(1-3)/3A30,因此，J3=Eb3且温度为已知量，则厂房内表面等效为黑体表面，则等效网络图,9.4辐射传热的控制,9.5.1控制物体表面间辐射传热的方法控制表面的辐射换热，即强化与削弱表面的辐射热流密度，可从表面辐射热阻(1-)/A与空间辐射热阻1/AX出发进行换热因素分析。强化辐射换热(1)增加发射率；(2)增加角系数。削弱辐射换热(1)降低发射率；(2)降低角系数；(3)加入遮热罩。,9.4.2遮热板（罩）的原理,遮热板（罩）是利用增加辐射热阻的方发达到减小辐射热流的目的（radiationshield）。,原理简述以两块靠得很近的无限大平行平板（漫灰表面）为例：其等效网络与热流量1,2表述为,在两板间插入遮热板3，则有,热稳态条件下,等效网络图表述为,分析,(1)若1=2=3=，则有,(2)若有n块遮热板，且有1=2=3=i=n=，则有,(3)若1=2=0.8，3=0.05，则有,结论（1）遮热板等效于降低表面发射率；（2）可以通过采用发射率低的抛光金属板以及多层遮热板的途径达到削弱辐射换热的目的。,9.4.3遮热罩抽气式热电偶在高温气流测试中的应用,遮热罩广泛应用于削弱辐射热流的场合。,对于普通型热电偶(thermocouple)，热电偶结点热平衡方程,则测量绝对误差,若要减小t,可增加h1或减小qr。采用抽气式热电偶可达到增加h1的目的；而采用遮热罩则可降低qr.,对于遮热罩式热电偶，热电偶结点与遮热罩热平衡方程分别表述为,改进效果：,则采用遮热罩抽气式热电偶可将测试相对误差从20%减小到4.88%。,9.5气体辐射,对于单原子气体与对称结构双原子气体可认为是热辐射的透明体。对于非对称结构的双原子气体及多原子气体，具有显著的辐射能力。当换热场合存在具有辐射能力的气体，并必须考虑气体与固体间的辐射换热。燃料燃烧产物通常包括CO2与H2O，因此，此两种气体的辐射在动力工程计算中不可忽视。本节重点：气体辐射特性；CO2与H2O辐射特性。,9.5.1气体辐射特性,气体辐射对波长具有选择性。它只在某谱带内具有发射和吸收辐射的本领，而对于其他谱带则呈现透明状态。故气体不能看成灰体。,CO2和H2O的主要光带,气体的辐射和吸收是在整个容积中进行，即具有体积辐射特性。气体吸收特性不仅与气体本身性质有关，还取决于射线行程中所遇气体分子数目。气体分子数目与射线行程长度s及气体密度(T,pi)有关，则气体光谱吸收比可表述为：=f(T,ps),贝尔定律,9.5.2气体吸收定律,当辐射能通过吸收层时，强度因沿途被气体吸收而削弱。如若光谱辐射强度为I,x,则有,k为光谱减弱系数，取决于气体种类、密度与波长，如若气体温度与压力一定，则k为常数，则有,9.5.3气体光谱吸收比与光谱辐射率,Beer公式可以写为气体：+=1根据Kirchhoff定律，,9.5.4平均射线程长s,由于气体辐射特性与射线程长s密切相关，而s取决于气体容积的形状和尺寸，以及被辐射表面位置。在同一容器内，除半球内气体对球心的辐射的射线程长相同外，从不同方向辐射到同一处的射线程长各不相同；不同处的射线程长各不相同。,气体对不同地区的辐射,半球内气体对球心的辐射,处理方式：引入当量半球的概念，将不是球形的容积等效为半球，则其半径就是等效的射线程长。通过查表方式获得典型几何容积气体对整个包壁或对包壁某一指定区域的平均射线程长，见P422表9-3。估算公式：,9.5.5气体辐射率,工程计算中更关心的是气体的（总）吸收比与（总）发射率。气体发射率气体发射率影响因素气体温度Tg;射线平均行程s与气体分压pi乘积；气体分压pi与总压p。,CO2气体发射率经验图线,CO2基准发射率CO2*图线,总压与分压对CO2的影响修正,H2O蒸气发射率经验图线,水蒸气基本发射率H2O*图线,总压与分压对H2O的影响修正,H2O蒸气发射率经验图线,H2O蒸气、CO2混合气体发射率经验计算,当气体中同时存在H2O蒸气与CO2两种成分时，由于H2O蒸气与CO2两种气体存在光带重叠区域，故,CO2和H2O的主要光带,光带重叠修正量,9.5.6气体吸收比,由于气体辐射具有选择性，故不能将其看成灰体；且在与外界有换热的情况下，不处于热平衡状态，故gg。气体吸收比不仅取决于气体本身的温度、分压与射线行程，还取决于投射辐射性质。H2O蒸气与CO2共存的混合气体对黑体外壳辐射的吸收比可表述为,相关基准参数与修正值分别表述为,9.5.7气体与黑体包壳间的辐射换热计算,在气体辐射特性确定后，气体与黑体包壳间的辐射传热计算可简化为辐射换热面积相同、间距0的两壁面间的换热，壁面1为黑体，壁面2辐射特性为g、g.黑体与气体的单位辐射换热量q1,2：,9.6综合传热问题分析,几种热量传递机制共同作用的传递，过程成为综合传热(combinedmodeofheattransfer)问题或复合传热(multimodeofheattransfer)问题。工程实际中，辐射与对流常同时存在，尤其是以空气、烟气等气体作为对流介质的场合。常温状态下，辐射散热量与自然对流散热量在同一数量级。在热阻分析及对传热系数k进行计算时，如某一侧同时存在辐射与对流，则其表面传热系数h应为复合传热系数。对于导热问题的第三类边界条件及采用集总参数法研究导热问题时，如果导热边界条件为复合换热情形，则表面传热系数同样需采用复合表面传热系数。,复合表面传热系数h,在同时存在辐射换热与对流换热的场合下，认为辐射与对流不耦合，可分别进行处理.hr辐射表面传热系数，在计算出辐射换热量r后，采用牛顿冷却公式进行折算后获得典型实例：动力锅炉炉膛水冷壁换热、省煤器烟气侧换热、遮热罩抽气式热电偶表面,本章小结角系数的定义、性质、计算方法(特别是代数分析法)和适用条件能量守恒的分析方法在两固体表面间辐射换热的应用系统黑度的计算公式及三种特殊情形的处理热网络法的基本思路、计算过程、热网络图重辐射面的性质、影响辐射换热的形式及其温度的求解方