辐射传热的计算

辐射传热,内容要求热辐射的基本概念黑体辐射的基本定律掌握辐射传热的角系数；两表面封闭系统的辐射传热；多表面系统的辐射传热；辐射传热的控制；综合传热问题分析。,辐射传热,热辐射的基本概念,一、热辐射本质,1、基本概念辐射：物体以电磁波向外传递能量的现象。热辐射:由于物体内部微观粒子的热运动状态改变，而将部分内能转换成电磁波的能量发射出去的过程。电磁波落到物体上，一部分被物体吸收，将电磁波的能量重新转换成内能。,2、特点：,不需要物体直接接触。可在真空中传递(最有效）有能量的转化。辐射：辐射体内热能辐射能吸收：辐射能受射体内热能只要T0K,就有能量辐射。高温物体低温物体双向辐射热能物体的辐射能力与绝对温度的四次方成正比。电磁波遵循c=规律,3、电磁波谱,由于起因不同，物体发出电磁波的波长也同。热辐射的波长主要位于0.101000m的范围内。热射线：热辐射产生的电磁波,工业上一般物体(T800K)，可见光份额才有所升高。常温下，实际物体的辐射主要是红外辐射。,三、维恩位移定律(1893年),应用举例,思考1、一铁块放入高温炉中加热，从辐射的角度分析铁块的颜色变化过程,？,用它可测定太空星体表面温度，也可用来选择对特定地物的监测波段，如火灾检测。,2、黑体一定是黑色的吗？,3、节能灯原理？,三、Stefan-Boltzmann定律,式中，=5.6710-8W/(m2K4)，是斯蒂芬-波尔兹曼常数。,描述了黑体辐射力随表面温度的变化规律。,1879年Stefan实验，1884年Boltzman热力学理论得出；将PlanksLaw积分即得。,黑体辐射函数,定义：在0的波长范围内黑体发出的辐射能在其辐射力中所占份额。图中的在1和2之间的线下面积。黑体在波长1和2区段内所发射的辐射力：,黑体辐射函数,定义：在0的波长范围内黑体发出的辐射能在其辐射力中所占份额，Fb(0)。,将Eb用普朗克定律代入得：,波段辐射力:,在12的波长范围黑体的波段辐射函数为：,黑体辐射函数,四、Lambert定律,可以证明：黑体辐射的定向辐射强度与方向无关。,它说明黑体的定向辐射力随天顶角呈余弦规律变化。Lambert定律也称为余弦定律。黑体辐射能在空间不同方向上的分布不均匀：法向最大，切向最小（为零）。,注意：1）对服从Lambert定律的表面，辐射强度与辐射力的关系。2）定向辐射强度与方向无关的表面漫射表面3）对黑体辐射强度的理解：相当于“灯泡亮度”，即从不同方向看过去，其亮度都是一样的。,黑体辐射定律小结、Stefan-Boltzmann定律：描述黑体在某一温度下向半球空间所有方向辐射的全部波长的能量，即对方向和波长都积分的结果。、Planck定律：描述黑体在某一温度下向半球空间所有方向辐射的能量沿波长分布的规律，即只对方向积分，但研究的是某一波长。、Lambert定律：描述黑体在某一温度下所辐射的全部波长的能量沿半球空间方向上的分布规律，即只对波长积分，但研究的是某一方向。对黑体而言，辐射强度是常数。,辐射传热的角系数,假设,进行辐射换热的物体表面之间是不参与辐射换热的介质或真空；参与辐射换热的物体表面为漫射灰体或黑体表面；每个物体的温度，辐射特性及投入辐射分布均匀。,角系数,1.角系数的定义,表面1对表面2的角系数：,表面2对表面1的角系数：,或：,几何量,角系数的性质,1.非自见面的角系数等于0。,2.角系数的相对性,根据角系数的定义：,则有：,3.角系数的完整性,封闭空腔中：,或：,两表面组成封闭空腔：,多表面组成封闭空腔：,4.角系数的可加性,求解：组合面A（1+2）对面A3的辐射角系数。,即是：,又由角系数的相对性：,因此：,角系数的计算,1.两面封闭系统,两平行大平面：,两个面都是自见面：,有一个面为非自见面：,解：根据角系数的完整性：,又由角系数的相对性：,A3,解：作辅助面A3（非自见面）：,则：,由角系数的相对性：,2.三个非凹表面组成封闭系统,3.交叉线法,辅助线,解：封闭空腔abcd中:,封闭空腔abc，abd中:,因此：,两表面封闭系统的辐射换热,1.任意位置的两黑体表面。,两黑体表面间的净辐射换热量：,或：,一黑体表面间的辐射换热,2.多个黑体组成的封闭空腔。,表面1对其它表面的辐射换热：,或：,第i个黑体表面的辐射换热量：,二漫灰表面间的辐射换热,1.有效辐射,设有一漫灰表面A，=。,与表面A有关的能量有：,投入辐射G,吸收辐射G,反射辐射G,自身辐射（辐射力）E=Eb,有效辐射J,或：,合成辐射（净辐射热流）,或：,两式联立，消去G，且=。,对黑体表面：,得：,三两漫灰表面间的辐射换热,1.两漫灰表面构成封闭空腔，且T1T2：,分析,因此A1和A2的净辐射热量：,即是：,A3,同时,A1的净辐射热量：,A2的净辐射热量：,换热系统热平衡时：,将(a),(b),(c)相加，消去J1，J2得：,A3,或：,两漫灰表面间的辐射换热网络图,系统黑度：,2.两漫灰表面间辐射换热的几种简化形式：,A1面为非自见面：,由：,得：,两个无限大平板间辐射换热：,由：,得：,两表面相差很大（大房间内小物体的辐射换热）,得：,由,9.3多表面系统的辐射换热,辐射换热网络求解法：应用有效辐射的概念，将辐射换热系统模拟成相应的电路系统，借助于电学中基尔霍夫电流定律求解该系统的辐射换热问题。,9.3.1两漫灰表面间的辐射换热网络图,9.3.2多表面封闭系统网络法求解的实施步骤,1.画出等效的网络图。,三个漫灰表面构成的封闭空腔中的辐射换热,原则：注入每个节点的热流之和为零（列出各节点有效辐射的关系式）。,节点J1：,节点J2：,节点J3：,2.列出节点的电流方程。,已知三个表面温度T1,T2,T3；以及A1,A2,A3,1,2,3,X1,2,X1,3,X2,3。,确定每个表面的有效辐射J1,J2,J3和净辐射热量1,2,3。,例如,3.求解代数方程组，计算各表面的有效辐射。,4.计算每个表面的净辐射传热量。,9.3.3三表面封闭系统的两种特殊情形,1.有一个表面为黑体表面,求解时分别列出3个节点的有效辐射方程式,2.具有重辐射面的封闭空腔中的辐射换热：,重辐射面：辐射绝热面，净辐射热流为0。,两块平行放置的钢板之间的距离与其长和宽相比，可以忽略不计，已知它们的温度分别为t1=527，t2=27，发射率为1=2=0.8。试计算：（1）板1的自身辐射；（2）板1的有效辐射；（3）板1的投入辐射；（4）板1的反射辐射；（5）板1，2的净辐射换热量。,例题,9.5辐射传热的控制,9.5.1控制物体表面间辐射传热的方法,两漫灰表面间的辐射换热网络图,例如,1.控制表面热阻,若强化换热，应减少各串联环节中的最大热阻项。,改变表面积。,改变表面发射率。,若：,增大表面A1面积,2.控制空间热阻,改变面积A。,改变角系数。,如何削弱物体表面之间的辐射换热,采用反射率高的表面；采用遮热板。,9.5.2遮热板的原理,1.遮热板的作用：在整个辐射换热中净辐射换热量为0。即遮热板即不向原系统放出热量，也不从中吸收热量，只是在热流通路中增大了原系统的热阻，使换热表面之间的辐射换热受到阻碍。,已知：两个大平板A1,A2，温度T1,T2，发射率1,2，中间放置遮热板T3(T3=T3),3=3,分析：无，有遮热板时辐射换热量的变化。,（1）无遮热板时：,2.分析有无遮热板时辐射换热量的变化,（2）有遮热板时,简化考虑：,可求：,且：,结论,加1块发