传热学-第九章.ppt

1、第九章辐射传热的计算，9-1辐射传热角系数如前所述，热辐射的发射和吸收具有空间方向性。因此，表面之间的辐射热传递与几个因素有关，例如表面几何形状、尺寸和每个表面的相对位置。这个因素通常由角度系数来考虑。角系数的概念是在20世纪20年代随着固体表面辐射传热计算的出现和发展而提出的。它有许多名称，如形状因子、视觉因子、交换系数等。但是角度系数被称为最大。值得注意的是，角度系数仅适用于漫射表面(漫射辐射和漫射发射)，表面发射辐射和投影辐射是均匀的。9.1.1角度系数的定义和计算假设在引入角度系数的概念之前，应审查输入辐射的概念：单位时间投射到单位面积上的总辐射能量记录为g，下面介绍角度系数的概念和表

2、达式。角度系数：如果有两个表面，编号为1和2，填充有传热介质，表面1到表面2的角度系数X1、2和2为：表面1发射的辐射能量落到表面2的百分比。也就是说，类似地，也可以定义表面2相对于表面1的角度系数。根据这一概念，我们可以得出结论，角系数的应用有一定的限制，即漫射面、具有等温、均匀物理性质和均匀投影辐射的面、充满传热介质的面，面向微型元件表面的微型元件的角系数如图8-2所示，黑体微型元件表面dA1到微型元件表面dA2的角系数记录为Xd1、d2，同样，面向有限表面的微型元件的角系数由角系数的定义可知。如图9-2所示，与面dA1相对的面A2的角度系数是两个面之间的辐射，(b)与面A2相对的面A1的

3、角度系数X1，2和与面A2相对的面A1的角度系数X2，1分别是，(d)、(9-6)和9.1.2。根据角度系数的定义和各种解析表达式，可以导出角度系数的代数性质。(1)相对性从方程(a)和(b)中可以看出，从图9-3中可以看出，两个有限尺寸黑体表面之间辐射传热的计算称为角系数的相对性。注：当达到热平衡时，上述公式称为角系数的完整性。如果曲面1是非凹面，X1，1=0。值得注意的是，上图中表面2与表面1的角度系数不存在上述可加性(9-5b)。图9-4角度系数的完整性，(2)对于具有n个表面的封闭系统的完整性，如图9-4所示，根据能量守恒可以得到：(3)可加性如图9-5所示，表面2可以分成2a和2b两

4、个表面，当然，它也可以分成n个表面，那么角度系数的可加性是(9-4)，角度系数的可加性，并且看能量守恒为2比1 :9.1.3角度系数1的计算方法。在直接集成工程中可以直接检查地图线，如图9-7至9-9所示。2.代数分析方法利用角度系数的各种性质得到一组代数方程，并通过求解代数方程得到角度系数。值得注意的是，使用这种方法的前提是系统必须是封闭的。如果它不是封闭的，假想的平面可以被封闭。让我们以一个由三个非凹面组成的封闭系统为例。如图9-10所示，如果面积分别为A1、A2和A3，根据角度系数的相关性和完整性可以得到：通过求解封闭方程，可以得到所有的角度系数，如X1，2是：封闭系统由三个非凹面组成，

5、如图9-10所示。如果系统横截面上三个表面的长度分别为l1、l2和l3，则上述公式可写成如下：让我们看看这两个表面的情况。假想表面如图9-11所示。根据完整性和上述公式，有：封闭系统注：这里所谓的交线和非交线是指虚拟平面截面的线或辅助线，9-2双面封闭系统的辐射传热，9.2.1封闭腔模型和由两个黑体面组成的封闭腔1。封闭空腔模型：热辐射通过电磁波传递热量，因此在计算表面与外界之间的净辐射热传递时，计算对象必须是包括研究表面在内的封闭空腔。最简单的封闭腔是两个无限接近的平行板。图9-13黑体系统的辐射传热。2.黑体表面的辐射传热如图9-13所示。黑色表面1和2之间的辐射热传递为9.2.2有效辐射

6、1由有效辐射定义的每单位面积每单位时间离开表面的总辐射能量，J(w/m2)。在表面物理性质和温度已知的假设下，研究了J与表面净辐射传热的关系，为灰扩散表面间辐射传热的计算做准备。如图9-14所示，对于表面1，净辐射传热量q为j，这意味着将j代入q表达式以消除g，ash (=)，即有效辐射与辐射传热量之间的关系。如图9-15所示，根据下面的公式和能量守恒，两个表面的净传热量为(d)对于一个具有两个表面的封闭系统。因此，由图9-15中的两个物体组成的辐射传热系统定义了系统黑度(或系统发射率)。与黑体辐射传热相比，上述公式多了一个考虑灰系统多次吸收和反射对传热量影响的因素。对于黑体，有三种特殊情况：

7、(1)表面1是凸的或平面的，这时，x1，2=1，所以(2)表面积A1比表面积A2小得多，即A1/A20，那么(3)表面积A1等于表面积A2，即a1/a21，那么，计算9-3多表面系统的辐射传热，网络法(。但是，应该注意的是，这两种方法都离不开角度系数的计算，因此它们必须满足灰面扩散、等温、物理性质均匀、投影辐射均匀以及表面间透热介质等条件。从介绍相关概念开始，我们将逐步开始。公式(9-12)中热电位差和热阻的上半部分可以改写如下：在公式中，它被称为表面热电位差；它被称为表面辐射热阻。9.3.1双面换热系统的辐射网络，表面辐射热阻如图9-19所示。可以看出，每个表面都有一个表面辐射热阻。黑体，=

8、1 RR=0，即黑体的表面热阻等于零。对于由两个多尘表面组成的封闭系统，上一节中的公式d和角系数的相关性如下：其中空间热势的差是空间辐射热阻，如图9-19所示，可以看出每对表面都有一个空间辐射热阻。例如，网络方法的应用，首先，看看由上面提到的两个多尘表面组成的封闭系统。等效网络图如图9-20所示。根据电路中的基尔霍夫定律，流入节电装置的电流总和等于零。列出每个节点的热流方程，形成有效辐射的联立方程。参见左等式。由三个表面组成的封闭系统如图9-21所示，具有三个表面的封闭腔的等效网络图如图9-22所示。该节点的节点方程如下：求解上述方程，然后计算净热交换。绘制等效电路图；列出每个节点的节点方程；

9、求解方程，得到每个节点的有效辐射；用这个公式计算每个表面的净辐射热通量。综上所述，我们可以得出应用网络法的基本步骤如下：b有一个表面绝热，即表面的净热交换为零。网络图如图9-23b所示，等效网络图如图9-23c所示。与黑体不同，此时表面的温度未知。同时，它仍然吸收和发射辐射，但发射的辐射等于c的两个表面不可见，a的一个表面是黑色的。黑体的表面热阻为零(短路)。网络图如图9-23a所示。这时，表面的温度是众所周知的。9.3.3三个表面封闭系统的特殊情况，9.3.4多表面封闭系统辐射传热计算的几种解释，1。适用于计算机求解有效辐射计算表达式，2。计算表面数的划分应基于热边界，9-4气体辐射。本节将

10、简要介绍气体辐射的特点、传热过程和处理方法。在工程中常见的温度范围内，具有很强的吸收和发射热辐射的能力，而其他气体较弱，这就是本节以这两种气体为例的原因。9.4.1气体辐射的特性(1)气体辐射对波长有选择性。它只能发射和吸收特定波段的辐射，而对其他波段是透明的。如图9-27所示。(2)气体的辐射和吸收在整个体积内进行。这是因为辐射可以进入气体，在气体中传播，最后一些辐射会穿透气体到达外部或固体壁。因此，气体的发射率和吸收率也与容器的形状和体积有关。图9-27是CO2和H2O的主要吸收带9-27，图9-28是穿过气体层的光谱辐射的衰减，其中负号表示吸收，是光谱衰减系数m-1，它取决于气体的类型、

11、密度和波长。它可以通过对上述公式进行积分得到，其中s是辐射的路径长度，通常称为辐射线的长度。从上面的公式可以看出，热辐射在气体中呈指数衰减。气体辐射的光谱吸收率和光谱发射率的比尔公式可以写成：对于气体，反射率为零，因此根据基尔霍夫定律，光谱发射率是工程中最重要的考虑因素，它是确定气体所有光谱带中辐射能量的总和。因此，有必要首先确定气体的发射率，然后计算气体的发射辐射。9.4.3由于气体的体积辐射特性，平均射流长度的计算与射流长度S密切相关，S取决于气体体积的形状和大小。如图9-29所示。为了使螺纹长度均匀，人们引入了等效半球的概念，非球形的体积就是等效半球。其半径为等效螺纹长度，如图9-30所

12、示。目前，人们已经在表9-3中列出了一些典型几何体积的气体对整个包装壁的平均螺纹长度。在缺乏数据的情况下，任何几种形状的气体对整个包装壁的平均螺纹长度可根据以下公式计算：其中v是气体体积，m3；a是墙面积，m2。图9-29气体对不同区域的辐射，图9-30气体对半球球体中心的辐射，除s外，还与气体温度和气体刻划压力有关。因此，我们有以下关系。利用上述关系，我们可以通过实验得到它。图9-31给出了当时水蒸气发射率的曲线图。图9-32是修正系数，因此水蒸气的发射率为，相应的数字分别为9-33和9-34。因此，图9-31、9-32、9-33和9-34的校正系数，当二氧化碳和水蒸气同时存在于气体中时，气

13、体的发射率由以下公式给出：其中校正量由图9-35给出。图9-35修正量、气体吸收率、公式中的修正系数与发射率公式中的处理方法相同，并且总和的确定可采用以下经验公式。在确定了物体的发射率和吸收率后，气体与黑体外壳之间的辐射传热公式为：辐射传热增强和衰减系数为9-5。由于工程要求，经常需要增强或减弱辐射传热。有两种主要方法来增强辐射传热：(1)增加发射率(降低表面热阻)；(2)增大角度系数(减小空间热阻)。当辐射传热涉及红外辐射和太阳辐射时，对太阳辐射的吸收率应尽可能大，本节主要讨论这种削弱辐射传热的方法。对于由两个无限平面组成的封闭系统，热传递量为：为简单起见，假设上述公式为。目前，在两个表面之

14、间插入一个仍然具有发射率的隔热罩，从而形成两个热交换系统，如图9-40所示。在稳定状态下，有33，360个。可以看出，与没有隔热罩的情况相比，辐射热交换量减少了一半。增加n个相同黑度的隔热屏，辐射传热是没有隔热屏时的1/n 1倍。隔热板的黑度越低，隔热效果越好。图9-40隔热罩。本章概述了角系数的定义、性质、计算方法(特别是代数分析)和将条件能量守恒分析法应用于两个固体表面间辐射传热的系统黑度计算公式，以及热网络图的基本思想、计算过程、重辐射表面的性质、影响辐射传热的形式和处理热网络法三种特殊情况的温度求解方法。以及强辐射面和黑面的区别，辐射换热的增强和衰减及其作用过程中应考虑的因素，特别是热辐射挡板的气体辐射特性：光谱依赖特性和体积辐射特性，气体辐射的衰减规律及其计算公式，气体的吸收系数和发射率，输入辐射，有效辐射，系统黑度，热电位差，表面辐射热阻，空间辐射热阻，衰减系数，辐射线长，思考问题：1。角度系数的定义和性质。2.二维曲面间角度系数的计算方法(代数分析法和图表法)。3.多