9.辐射传热计算2015简化版.pptx

1、,第9章 表面间的辐射换热,重点讨论：被透明介质隔开的漫灰表面间的辐射换热问题。,辐射换热三要素：温度、辐射率与角系数,9.1 角系数 9.2 两表面封闭系统的辐射换热 9.3 多表面封闭系统的辐射换热 9.4 伴有参与介质的辐射换热* 9.5 多种模式传热 9.6 辐射传热的控制,Aj,Tj,Ai,Ti,9.1 角系数,9.1.1 角系数的定义,dAi,dAj,r,ni,nj,i,j,从表面i向半球空间辐射出去的总能量中落到参与辐射换热的另一物体表面j上的份额。记作Xi,j。,Aj,Tj,Ai,Ti,dAi,dAj,r,ni,nj,i,j,表面i为 漫射表面,微元面投射辐射,Aj,Tj,Ai

2、,Ti,dAi,dAj,r,ni,nj,i,j,表面投射辐射,角系数,Ji=const,【1】漫射体； 【2】有效辐射密度均匀,【引申思考】角系数可否作为纯几何因子？需满足前提条件？,9.1.2 角系数重要性质,互换性（相对性）,完整性,可加性（分解性）,【分析思考】,1证明,2判断下式的正确性,【结论扩展】,能量守恒与角系数定义,9.1.3 角系数计算方法,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。（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】 三个无限长非凹表面组成的封闭系统。,【求解分析】 【1】利

3、用非凹表面：Xi,i=0 【2】角系数的互换性和完整性。,【求解】,【计算实例2】 两个非凹无限长相对放置的表面。,【求解分析】 【1】制造封闭系统； 【2】利用【实例1】计算结果。,a,b,c,d,【求解】,交叉法,【计算实例3】,【求解分析】 【1】制造辅助平面； 【2】利用非凹表面Xi,i=0 【3】利用角系数完整性与互换性。,【求解】,A3,两个凹表面组成的封闭系统。,张弦法,9.2 两表面封闭系统的辐射传热,9.2.0 辐射换热计算相关说明,计算假设,封闭腔模型； 稳态表面辐射换热； 辐射表面为漫灰表面或黑体表面； 等温表面，且有效辐射密度和投射辐射密度均匀。 封闭腔内为辐射透明介质

4、； 对流换热与辐射换热不耦合。,净热量法（直接法） 辐射网络法,封闭系统辐射换热计算方法,计算目的,确定未知表面净辐射传热量或温度T,计算核心关键步骤,确定各表面有效辐射J,9.2 两表面封闭系统的辐射传热,Ai,表面i有效辐射密度,表面i净失去辐射热,Aj,Ai,AiAj的投射辐射,9.2.1 漫灰表面辐射换热关系,【引申思考】辐射表面为黑体，会有何种结论？,两表面1,2间辐射传热量,9.2.2 两漫灰表面组成的封闭腔(T1T2),空间 辐射热阻,表面1净失去的辐射热,表面 辐射热阻,表面2净得到的辐射热,表面 辐射热阻,两表面组成的封闭系统辐射换热关系,能量守恒,节点热势,节点热势,源 热

5、势,源 热势,9.2.3 两黑体表面组成的封闭腔(T1T2),两黑体表面1，2间辐射传热量,两黑体组成的封闭系统,9.2.4 系统黑度,两漫灰表面组成封闭腔净辐射换热量,两黑体表面组成封闭腔净辐射换热量,系统黑度定义式,【例题1】试求出如下几种情况下系统黑度与净辐射换热量。,【1】表面1为凸面或平面,【分析】,【解】,【2】表面1为凸面或平面，且A1A2,【分析】,【解】,【3】表面1为凸面或平面，且A1A2,【分析】,【解】,【例题2】,两平行平板，1=2=0.6。板间距远小于板的宽度与高度，且有t1=427， t2=27。试确定： (1) 板1的自身辐射；(2)板1的有效辐射； (3) 板

6、1的反射辐射；(4) 板2的有效辐射； (5) 对板1的投入辐射；(6) 板1，2间的辐射换热量。,9.3 多表面封闭系统的辐射传热,9.3.1 多表面封闭系统辐射换热关系,投入辐射,有效辐射,净失去换热量,网络法计算净辐射速率,Ebi,Ji,(1-i)/(Ai i),i,确定组成封闭系统的表面及各表面的性质；,【引申思考】划分表面的依据是什么？,三个漫灰表面封闭系统,A3 ,T3 ,3,A1 ,T1 ,1,A2 ,T2 ,2,绘制等效网络图,9.3.2 辐射网络法,建立节点方程,求解节点方程组，获得Ji,求解净辐射换热量,【分析】,三表面封闭系统中存在一黑体表面3,【1】黑体表面,【2】等效

7、辐射网络图,【3】节点代数方程简化为二元方程组。,已定,A3 ,T3,A1 ,T1 ,1,A2 ,T2 ,2,【分析】,三表面封闭系统中存在一辐射绝热表面3（重辐射表面）,【1】绝热表面,【2】等效辐射网络图,【3】辐射换热量,待定,A3 , 3,A1 ,T1 ,1,A2 ,T2 ,2,【引申思考1】 辐射绝热表面（表面净辐射换热量为0，重辐射表面），具有什么特性？,重辐射表面，具有两重性：,【1】从温度角度，等效于黑体； 【2】从能量角度，等效于白体； 重辐射表面是在一定条件下的黑体或白体。,【引申思考2】 重辐射表面与黑体表面的异同？,【1】黑体表面J=Eb为源热势； 【2】重辐射面J=E

8、b为浮动热势，其表面温度未定。,9.3.3 净热量法*,计算步骤,基于能量守恒，建立表面间有效辐射关系式并求解；,确定组成封闭系统的表面；,求解净辐射换热量。,【例题1】（P415，例9-5）两块尺寸为1m2m、间距为1m的平行平板置于室温为27的大厂房内，平板背面不参与换热。已知两板的温度分别为t1=827， t2=327和1=0.2， 2=0.5 。计算每板的净辐射换热量及厂房壁所得到的辐射热量。 【分析与简化】 厂房面积A3A1(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,【引申】是否需要考虑介质对辐射换热的影响

9、？,【例题2】 在一厚金属板上钻一直径为d=2cm不穿透的小孔，孔深H=4cm,锥顶角为90.设孔的表面是发射率为0.6的漫灰体，整个金属块处于500C的温度下，试确定从孔口向外界辐射的能量。,【分析与简化】 【1】将孔口假想为一黑体表面A2，则系统为由一个漫灰体表面A1与一个黑体表面A2组成的封闭系统，漫灰体=0.6，T1=773K，黑体温度为0K。 【2】从孔口向外界辐射的热量等效于A1与A2间的辐射换热量,【引申思考】如果室内壁面温度为27 C，则炉门打开时单位时间从炉门的净辐射散热损失为多少？,【分析与简化】根据发射率的定义， E为人工黑体腔开口辐射力，Eb为温度等于人工黑体腔温度的黑

10、体的辐射力。,【例3】 设计一开口半径r=1cm、开口发射率2=0.999的球形人工黑体腔，已知空腔内壁材料表面黑度1=0.9，试确定黑体腔半径R的大小。,人工黑体腔开口发射出去的辐射能,9.4 伴有参与介质的辐射换热,9.4.1 气体辐射特性,选择辐射特性,发射与吸收集中在特定波长区段（光带）,容积辐射特性,发射与吸收在整个容积中进行,气体,黑体,灰体,I(x),9.4.2 容积辐射与贝尔定律,I(x),贝尔定律,光谱吸收比,若满足漫射投射或漫射体条件,光谱发射率,9.4.3 气体发射与吸收,Hottel法（当量半球法）,s,平均射线程长,公式估算法,V,V,A,A,s,气体发射,气体辐射力

11、,气体发射率,水蒸气与二氧化碳混合气体发射率,CO2 和H2O的主要光带,气体吸收,水蒸气与二氧化碳混合气体吸收比（投射面为黑体外壁）,气体吸收比,吸收比相关基准参数与修正值分别表述为,【例题】 气体与黑体包壳间的辐射换热。,【分析与简化】,【求解】,9.5 多种模式传热,物理模型,数学表述,能量守恒定律,传热模式本构方程,表面i,常见模式,表面i背面绝热,表面i背面绝热，不存在外部加热，且忽略对流。,重辐射表面,【例题1】 温室房顶玻璃所受各种热交换作用如图所示：,Gs-太阳投入辐射； Ga-大气投入辐射，在红外线范围内（8m）; Gi-温室内物体的投入辐射，在红外线范围内； ho外部流体对

12、流传热的表面传热系数； t外部空气温度； hi内部流体对流传热的表面传热系数； tf温室内空气温度。,玻璃较薄，沿厚度方向导热热阻忽略不计。对于1m的辐射可认为能全部吸收。假设辐射热流密度均匀地分布在玻璃表面，玻璃温度也是均匀的。太阳辐射按5800K的黑体处理，玻璃的法向发射率n=0.94. （1）试写出稳态条件下单位玻璃表面积上的能量平衡式； （2）假设tg=27，t=24，hi=10W/(m2.K),Ga=250W/m2;Gi=440W/m2,试估算温室内的温度tf。,太阳能在（ 1m ）的波段辐射所占百分比为,（1）能量守恒方程,（2）温室温度tf 代入数据：,【例题2】,在一外层空间试

13、验中，一很小的仪器被投放到宇宙空间中，假设此仪器可近似看成直径4cm的经过表面处理的铝球，初始温度为30，球的温度降低到40K时该仪器会失效，设宇宙空间可视为0K的黑体，球的表面发射率取为0.96，铝的物性可近似取常温下纯铝的值。试确定该仪器最长能工作多长时间不失效？,【分析】此为非稳态综合传热问题，因体积很小，内部热阻很小，故可认为仪器内部温度均匀，即可采用集总参数法来分析此问题。,能量守恒方程,常温下，铝的物性参数:c=902J/(kg.K);=2710kg/m3;,【例3】太阳能集热器热计算P442（例题9-12）,综合传热过程，关键点： 建立集热器吸热面能量守恒方程：,qr,p吸热面与覆盖玻璃内表面间的辐射换热： 简化成两平板间辐射换热 qc,p吸热面与空腔间的对流换热： 简化成平行夹层有限空间自然对流换热 集热器热效率：,9.6 辐射传热的控制,9.6.1 控制物体表面间辐射传热的方法 强化辐射换热 增加发射率 增加角系数。 削弱辐射换热 降低发射率 降低角系数 加入遮热罩,9.6.2 遮热板（罩）的原理,物理模型,无遮热板,加入1块遮热板,【引申思考1】若遮热板与表面1,2的发射率均为，插入n块遮热板后，辐射传热量？,