第十二章__辐射传热的计算

.,第12章辐射传热的计算,.,12.1辐射传热的角系数,前面讲过，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。角系数的概念是随着固体表面辐射换热计算的出现与发展，于20世纪20年代提出的。,12.1.1角系数的定义及计算假定,两个表面之间的辐射换热量与两个表面之间的相对位置有很大关系。,图12-1示出了两个等温表面间的两种极端布置情况：,图a中两表面间无限接近，相互间的换热量最大；,图b中两表面位于同一平面上，相互间的辐射换热量为零。,两个表面间的相对位置不同时，一个表面发出而落到另一个表面上的辐射能的百分数随之而异，从而影响到换热量。,图12-1表面相对位置的影响,.,把表面1发出的辐射能中落到表面2上的百分数称为表面1对表面2的角系数，记为。同理也可以定义表面2对表面l的角系数。,在讨论角系数时，假定：（1）所研究的表面是漫射的；（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。于是，角系数就纯是一个几何因子。,12.1.2角系数的性质,1、角系数的相对性,从一个微元表面dA1到另一个微元表面dA2的角系数，记为Xd1,d2，按定义：,图12-2微元表面角系数相对性证明的图示,.,类似地有：,得：,这就是两微元表面间角系数相对性的表达式。,两有限大小表面A1、A2之间角系数的相对性：,当时有：,2、角系数的完整性,任何一个表面对封闭腔各表面的角系数之间存在下列关系：,此式表达的关系称为角系数的完整性。,图12-3有限大小两表面间角系数相对性证明的图示,图12-4角系数完整性证明的图示,.,表面1为非凹表面时，；为凹表面时，。,3、角系数的可加性,表面2发出的落到表面1上辐射能等于表面2各部分发射出的辐射能之和：,表面1发出的辐射能等于落到表面2上的各部分的辐射能之和：,图12-5角系数可加性证明的图示,.,12.1.3角系数的计算方法,直接积分法是按角系数的基本定义通过求解多重积分而获得角系数的方法。,求解角系数的方法有直接积分法、代数分析法及几何分析法等。,微元面积dA1对A2的角系数：,表面A1对A2的角系数：,1、直接积分法,图12-6说明直接积分法的图示,.,这就是求解任意两表面之间角系数的积分表达式。,利用角系数的相对性、完整性及可加性，通过求解代数方程而获得角系数的方法称为代数分析法。,由三个表面组成的封闭系统的角系数计算公式：,若系统横截面上三个表面的长度分别为l1，l2和l3，则上式可写为：,2、代数分析法,图12-10三个表面的封闭系统,.,两表面A1、A2之间的角系数：,交叉线法：,注意：这里所谓的交叉线和不交叉线都是指虚拟面断面的线，或者说是辅助线,图12-11交叉线法图示,.,图12-12例题12-1图示,例题12-1试确定图12-12所示的表面1对表面对表面2的角系数。,.,12.2两表面封闭系统的辐射换热,12.2.1封闭腔模型及两黑体表面组成的封闭腔,1、封闭腔模型计算对象必须是包含所研究表面在内的一个封闭腔。,2、两黑体表面封闭系统的辐射换热,图12-13两黑体表面换热系统,.,定义单位时间内投射到表面的单位面积上的总辐射能为投入辐射，记为G；,定义单位时间内离开表面单位面积的总辐射能为该表面的有效辐射，记为J。,12.2.2有效辐射,1、有效辐射的定义,表面1的有效辐射有如下表达式：,在表面外能感受到的辐射就是有效辐射。,.,2、有效辐射与辐射传热量的关系,从表面1的外部观察，能量收支差额：,从表面1的内部观察，与外界的辐射换热量：,有效辐射与辐射换热量之间的关系：,图12-14一个表面的辐射能量支出,.,12.2.3两个漫灰表面组成的封闭腔的辐射传热,由两个等温的漫灰表面组成的二维封闭系统可抽象为四种情形。,图12-15两个物体组成的辐射传热系统,.,灰体系统的计算式中多了一个修正因子s。s的值小于1，它是考虑由于灰体系统发射率之值小于1引起的多次吸收与反射对换热量影响的因子，称为系统发射率（常称系统黑度）。,简化1：表面1为平面或凸表面,.,简化3：表面积A2比A1大得多。,简化2：表面积A1和A2相差很小。,图12-16平行平板间辐射传热的示意图,.,例题12-2：液氧储存容器为双壁镀银的夹层结构（图12-17),外壁内表面温度tw120，内壁外表面温度tw2183，镀银壁的发射率0.02。试计算由于辐射传热每单位面积容器壁的散热量。,图12-17液氧储存容器示意图,.,例题12-3：一根直径d50mm、长l=8m的钢管，被置于横断面为0.2m0.2m的砖槽道内。若钢管温度和发射率分别为t1=250、1=0.712，砖槽壁面温度和发射率分别为t2=27、2=0.123，试计算该钢管的辐射热损失。,.,12.3多表面系统的辐射传热,多表面系统中，一个表面的净辐射换热量是与其余各表面分别换热的换热量之和。工程计算的主要目的是获得一个表面的净辐射换热量。对于多表面系统，可以采用网络法或数值方法来计算每一表面的净辐射换热量。,12.3.1两表面换热系统的辐射网络,由得：,或,由得：,.,与电学中的欧姆定律相比，换热量相当于电流强度；或相当于电势差；而及相当于电阻，分别称为辐射传热的表面辐射热阻及空间辐射热阻，它们分别取决于表面的辐射特性（）及表面的空间结构（角系数X）。,两个灰体表面间辐射换热的等效网络：,换热量计算式：,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换热的方法称为辐射换热的网络法。,图12-112辐射传热单元网络图,图12-20两表面封闭腔辐射传热等效网络图,.,是空间热势差，空间辐射热阻见右图，每一对表面就有一个空间辐射热阻。,称为表面热势差；表面辐射热阻见右图，每一个表面都有一个表面辐射热阻。对于黑体表面，1Rr0即，黑体的表面热阻等于零。,表面辐射热阻,.,12.3.2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。(a)每一个参与换热的表面（净换热量不为零的表面）均应有一段相应的电路，它包括源电势、与表面热阻相应的电阻及节点电势；(b)各表面之间的连接，由节点电势出发通过空间热阻进行。（2）列出节点的电流方程。,以三表面辐射换热问题为例：,.,图12-21由3个表面组成的封闭腔,图12-22三表面封闭腔的等效网络图,.,（3）求解上述代数方程得出节点电势（表面有效辐射）、及。,（4）按公式确定每个表面的净辐射换热量。,12.3.3三表面封闭系统中的两种特殊情形,（1）有一个表面为黑体。,其表面热阻，有。,（2）有一个表面绝热，即净辐射换热量q为零。,.,图12-23三表面系统的两个特例,.,该表面的有效辐射等于某一温度下的黑体辐射。与已知表面为黑体的情形不同的是，此绝热表面的温度是未知的。,辐射换热系统中，这种表面温度未定而净的辐射换热量为零的表面称为重辐射面。,即,.,1、适合计算机求解的有效辐射计算表达式,当封闭系统的表面数目大于或等于4时，适宜于用计算机来求解由所组成的代数方程组，这时将节点代数方程写成有效辐射的显函数的形式比较方便。,假定每个表面都是漫灰的，空腔中的介质不参与热辐射。设所有表面都不是内凹的，即所有表面对自身的角系数。于是对任一表面有：,利用角系数的相对性有：,2、计算表面数的划分应以热边界条件为主要依据。,12.3.4多表面封闭系统辐射传热计算的几点说明,.,例题12-5：两块尺寸均为1m2m、间距为1m的平行平板置于室温t3=27的大厂房内。平板背面不参与换热。已知两板的温度和发射率分别为t1=827、t2=327和1=0.2、2=0.5，试计算每块板的净辐射散热量及厂房墙壁所得到的辐射热量。,.,12.4气体辐射的特点及计算,本节将简要介绍气体辐射的特点、换热过程及其处理方法。在工程中常见的温度范围内，和具有很强的吸收和发射热辐射的本领，而其他的气体则较弱，这也是本节采用这两种气体作为例子的原因。,空气、氢、氧等分子结构对称的双原子气体，可认为是热辐射的透明体。臭氧、二氧化碳、水蒸气等三原子、多原子以及结构不对称的双原子气体具有相当大的辐射本领。,12.4.1气体辐射的特点,气体辐射不同于固体和液体辐射，它们具有如下两个特点：（1）气体辐射对波长有选择性。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。有辐射能力的波长区段称为光带。二氧化碳的主要光带有三段：水蒸气的主要光带也有三段：气体不是灰体。,.,(2)气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的。这是由于辐射可以进入气体，并在其内部进行传递，最后有一部分会穿透气体而到达外部或固体壁面，因而，气体的发射率和吸收比还与容器的形状和容积大小有关。,12.4.2光谱辐射能在气层中的定向传递,辐射能削弱的程度取决于辐射强度及途中所碰到的气体分子数目。气体分子数目和射线行程长度及气体密度有关。,假设投射到气体界面x=0处的光谱辐射强度为，通过一段距离x后，该辐射变为。再通过微元气体层dx后，其衰减量为。,理论上已经证明，与行程dx成正比，设比例系数为，则有,式中，为光谱减弱系数。,.,图12-27CO2和H2O主要光带示意图,图12-28辐射能在气层中的传递,.,式中，s是辐射通过的路程长度，常称之为射线程长。从上式可知，热辐射在气体内呈指数规律衰减。,式中，为光谱减弱系数。它取决于其体的种类、密度和波长。,贝尔定律,厚度为s的气体层的单色穿透比：,.,12.4.3平均射线程长的计算工程中作为关心的是确定气体所有谱带内辐射能量的总和。于是需要首先确定气体的发射率，然后利用计算气体的发射辐射。而由于气体的容积辐射特性，与射线程长关s系密切，而s取决于气体容积的形状和尺寸。如图8-37所示。为了使射线程长均匀，人们引入了当量半球的概念，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，见图8-38所示。目前人们已经将一些典型几何容积的气体对整个包壁的平均射线程长列于表8-1中。在缺少资料的情况下，任意几个形状气体对整个包壁的平均射线程长可按下式计算：,式中，V为气体容积，m3；A为包壁面积，m2。,气体层的吸收比：,气体层的光谱发射率：,.,图12-30半球内气体对球心的辐射,图12-212气体对不同地区的辐射,.,利用上面的关系，可以采用试验获得，图12-31给出了水蒸气发射率的图线。图12-32则是其修正系数，于是，水蒸气的发射率为,对应于的图分别是12-33和图12-34。于是,气体对容器器壁的平均辐射力或对器壁上某一指定地点的辐射力受气体的温度、成分和沿途吸收性气体分子数目等因素所支配：,12.4.4水蒸气、二氧化碳发射率、吸收比的经验确定图线,1、水蒸气、二氧化碳对包壁上指定地点辐射的发射率,.,当气体中同时存在二氧化碳和水蒸气时，气体的发射率由下式给出:,式中，是修正量，由图12-35给出。,.,式中修正系数和与发射率公式中的处理方法相同，而，和的确定可以采用下面的经验公式,2、水蒸气和二氧化碳对黑体包壳内热辐射的吸收比,.,在气体发射率和吸收比确定后，气体与黑体外壳之间的辐射换热公式为:,12.4.5气体与黑体包壳内的辐射传热计算,.,例题12-8：在直径为1m、长2m的圆形烟管中，有温度为1027的烟气通过。若烟气总压力为105Pa，其中二氧化碳占10，水蒸气占8，其余为不辐射气体，试计算烟气对整个包壁的平均发射率。,.,12.5辐射传热的控制（强化与削弱）,由于工程上的需求，经常需要强化或削弱辐射换热。强化辐射换热的主要途径有两种：(1)增加发射率；(2)增加角系数。削弱辐射换热的主要途径有三种：(1)降低发射率；(2)降低角系数；(3)加入遮热板。其实插入遮热板相当于降低了表面发射率。本节主要讨论这种削弱辐射换热的方式。对于两个无限大平面组成的封闭系统:,12.5.1控制物体表面间辐射传热的方法,.,图12-40遮热板,12.5.2遮热板的原理及其应用,1、遮热板削弱辐射传热的原理遮热板是指插入两个辐射传热表面之间用以削弱辐射传热的薄板。,.,遮热板在工程技术上应用甚广，下面是4个应用实例：（1）汽轮机中用于减少内、外套管间辐射换热。（2）遮热板应用于储存液态气体的低温容器。,2、遮热板的应用,图12-41进汽连接管处的遮热罩,图12-42多层遮热板保温容器示意图,.,（3）遮热板用于超级隔热油管。（4）遮热板用于提