传热学第9章-辐射换热的计算PPT.ppt

1、如前所述，热辐射的发射和吸收具有空间特性。因此，表面之间的辐射传热与多个因素有关，如表面几何形状、尺寸和每个表面的相对位置，这些因素通常由角度系数来考虑。角系数的概念是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。但是最流行的是角度系数。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)，甚至是发射的辐射和投射在表面上的辐射。1.角系数的定义在介绍角系数的概念之前，我们应该先回顾一下输入辐射的两个概念：单位时间内投射到单位面积上的总辐射能量，记录为g，8-1角系数的定义、性质和计算，8/7/2020-0-，第8章辐射传热

2、的计算8-1角系数的定义、性质和计算。(1)角度系数：有两个表面，编号为1和2，填充有透明介质，因此表面1和表面2之间的角度系数X1，2是表面1直接投射到表面2上的能量，占表面1辐射能的百分比。即，(2)有效辐射：单位时间内离开单位面积的总辐射能量是地表的有效辐射，如图8-1所示。包括其自身发射的辐射e和反射的辐射g.g是投射的辐射。图8-1是有效辐射的示意图。类似地，也可以定义表面2与表面1的角度系数。从这个概念中，我们可以得出结论，角系数的应用有一定的限制，即扩散面、等温和均匀的物理性质，(8-1)，8/7/2020-1-，第8章辐射传热的计算，8-1角系数的定义、性质和计算，(2)微型元

3、件面与微型元件面的角系数如图8-2所示，黑体微型元件面为DA。然后，根据前面的定义公式， (3)从角度系数的定义中可以知道单元的面对面的角度系数，单元平面dA1的面A2的角度系数是图8-2，(8-2b)，8/7/2020-2-，和第8章辐射传热的计算8-1角度系数的定义、性质和计算中两个单元平面之间的辐射。 2，与A1相对的平面A2的角系数X2，1分别为，与A1相对的平面dA2的角系数为，(8-3a)，(8-3b)，(8-4a)，(8-4b)，8/7/2020-3-，第8章辐射传热的计算8-1定义和角系数(1)相关性可以从公式(8-2a)和(8-2b)，8/7/2020-5-，第8章辐射传热的

4、计算，8-1定义，性质和角系数的计算中看出， 从公式(8-4a)和(8-4b)可以看出，上述性质称为角系数，8/7/2020-6-，第8章辐射传热的计算8-1角系数的定义、性质和计算，上述公式称为角系数的完备性。 如果曲面1是非凹面，X1，1=0。值得注意的是，上图中曲面2与曲面1的角度系数不具有上述可加性。图8-3角度系数的整体性，(2)由N个表面组成的封闭系统的整体性，如图8-3所示，根据能量守恒，可得到33，360，(3)可加性如图8-4所示，表面2可分为2a和2b表面，但也可分为N个表面，因此角度系数的可加性为0，8/7/2020。第8章辐射传热的计算8-1角系数的定义、性质和计算，然

5、后看2-1能量守恒：图8-4角系数的可加性，8/7/2020-8-，第8章辐射传热的计算8-1角系数的定义、性质和计算，3角系数的计算方法通常有直接积分法，直接积分法的结果见公式(8-2)和(8-4)。下面只给出代数分析。代数分析法是利用角系数的各种性质得到一组代数方程，并通过求解得到角系数。值得注意的是，(1)使用这种方法的前提是系统必须是封闭的，并且如果它不是封闭的，它可以被做成一个假想的曲面来以由三个非凹面组成的封闭系统为例，如图8-5所示，面积分别为A1、A2和A3，根据角系数的相关性和完备性，8/7/2020-9-，第8章，辐射传热的计算，8-1定义，性质和角系数的计算，所有的角系数

6、，如X1，都可以通过求解这个封闭方程组得到。图8-5由三个非凹面组成的封闭系统，8/7/2020-10-如果系统横截面上的三个表面的长度分别为l1、l2和l3，那么上面的公式可以写成：看看下面两个表面的情况，虚平面如图8-6所示。根据完备性和上图8-6由两个非凹面和假想面组成的封闭系统，8/7/2020-11-，第8章辐射传热的计算，8-1角系数的定义、性质和计算，方程的解为3360。这种方法也称为交叉线法。注：这里所谓的相贯线和不相贯线是指虚拟平面横截面的线，或辅助线。8/7/2020-12-，第8章辐射传热的计算，8-1角系数的定义、性质和计算，8-2被透明介质隔开的两个固体表面之间的辐射

7、传热。本节将给出稳态辐射传热的两个例子，即两个等温黑体。封闭系统充满不吸收任何辐射的透明介质。采用的方法称为“净热”法。图8-7黑体系统的辐射传热，黑体表面如图8-7所示，黑色表面1和2之间的辐射传热为，8/7/2020-13-，第8章辐射传热的计算8-2透明介质将辐射从两个表面分开，在漫射灰色表面上灰体之间的多次反射给辐射传热的计算带来麻烦， 因此，有必要采用上述输入辐射G和有效辐射J的概念。在假定表面物理性质和温度已知的情况下，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8-1所示，对于表面1，上述公式中的净辐射换热量q为G1，考虑到可以得到，即8/7/202

8、0-14-，第8章辐射传热的计算8-2透明介质将两个表面辐射分开，下面将分析两个等温灰扩散表面封闭系统中的辐射传热。如图8-8所示，根据以下公式和能量守恒，两个表面的净传热量为(d)，8/7/2020-15-第8章辐射传热的计算8-2透明介质将两个表面的辐射分开，因此在图8-8、8/7/2020-11中有一个由两个物体组成的辐射传热系统。定义系统黑度(或系统发射率)，与黑体辐射传热相比，上面还有一个公式，它是考虑灰系统多次吸收和反射对传热影响的一个因素。8/7/2020-17-，第8章辐射传热的计算8-2透明介质将两个表面与辐射分开。有三种特殊情况：(1)表面1是凸的或平面的，此时为X1，21

9、，所以(2)表面面积A1比表面面积A2小得多，即A1/A2=0，那么(3)表面面积A1和表面面积8/7/2020-18-，第8章辐射传热的计算，8-2透明介质从两个表面分开的多表面系统中辐射传热的计算，8-3虽然净热法也可用于多表面情况，但网络法更简单、更直观。网络法的原理(也称热网络法、电网络法等)。)是将热辐射中的热流、热电位差和热阻与电流、电位差和电阻进行比较，并将辐射热流的传输路径与电路进行比较。但是，需要注意的是，这两种方法都离不开角度系数的计算，因此它们必须满足四个条件：漫射灰面、等温、均匀的物理性质和均匀的投影辐射。从介绍相关概念开始，我们将逐步开始。8/7/2020-19-，第

10、8章辐射传热计算8-3辐射传热计算对于黑色表面，1 Rr 0表示黑体的表面热阻等于零。并且根据前一节中的公式(d ),与角系数的相关性如何？8/7/2020-21-，第8章辐射传热计算8-3多面系统辐射传热计算，其中空间热势差为空间辐射热阻，如图8-10所示，可以看出每对面都有一个空间辐射热阻。8/7/2020-22-，第8章辐射传热的计算8-3多面系统辐射传热的计算，(2)网络法的应用实例首先，看看由上述两个灰色面组成的封闭系统，见图8-8，其等效网络图见图8-11。根据电路中的基尔霍夫定律，流入省电模式的电流总和等于零，并且列出了每个节点。形成有效辐射的联立方程，见左方程，8/7/2020

11、-23-，第8章辐射传热的计算8-3多面系统辐射传热的计算，求解上述方程得到或，并根据下式计算净辐射热流：其中，I代表面1或面2。在上述过程中，我们应该注意(1)节点的概念；(2)每个表面一个表面热阻，每对表面一个空间热阻；(3)和一些绘制电路图的基本知识。让我们看看这三个表面，如图8-12所示。类似于两个曲面，首先需要绘制等效网络，如图8-13所示，然后列出每个节点的当前方程。8/7/2020-24-，第8章辐射传热计算8-3多面系统辐射传热计算，8-12三面封闭系统，8-13三面封闭腔等效网络图，8/7/2020-25-，第8章辐射传热计算8-3多面系统辐射，8/7/2020-26-，第8

12、章辐射传热计算8-3多面系统辐射传热计算，画出等效电路列出了每个节点的热流(电流)方程；c .求解方程，得到各节点的等效辐射；用公式计算每个表面的净辐射热通量。综上所述，我们可以得到应用网络法的基本步骤如下：8/7/2020-27-，第8章辐射传热的计算，第8-3章多面系统辐射传热的计算，B有一个表面绝热，即该表面的净传热为零。网络图如图8-14b和8-14c所示。与黑体不同，此时表面的温度是未知的。同时，它仍然吸收和发射辐射，但是发射和吸收的辐射是相等的。由于热辐射的方向性，它仍然影响其他表面的辐射传热。这种表面温度不确定、净辐射传热为零的表面称为强辐射表面。图8-14三面系统的两个特例，(

13、3)两个重要的特例在黑体中有一个面。黑体的表面热阻为零。网络图见图8-14a。这时，表面的温度一般是已知的。8/7/2020-28-，第8章辐射传热计算8-3多面系统辐射传热计算，8/7/2020-29-，第8章多面系统辐射传热计算8-3由于工程需要，经常需要加强或削弱辐射传热。增强辐射传热有两种主要方法：(1)增加发射率；(2)增加角度系数。削弱辐射传热的方法主要有三种：(1)降低发射率；(2)降低角度系数；(3)添加绝缘板。事实上，插入隔热罩相当于降低表面发射率。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，传热量为：8-4辐射传热的加强和削弱，8/7/2020-3

14、0-，8-4辐射传热的计算，8-4辐射传热的加强和削弱。现在，在两侧之间插入一个具有相同发射率的隔热罩，从而形成两个热交换系统，如图8-15所示。8/7/2020-31-，第8章辐射传热的计算8-4辐射传热的加强和削弱，稳态时为33，360，表明与无隔热罩的情况相比，辐射传热，图8-15隔热屏，8/7/2020-32-，第8章辐射传热的计算8-4辐射传热的加强和削弱，8-5气体辐射，本节将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，并且具有很强的吸收和散发热辐射的能力，而其他气体则很弱，这就是为什么这两种气体在本节中被用作例子。1气体辐射的特性(1)气体辐射对波长有选

15、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8-16所示。(2)气体的辐射和吸收在整个体积中进行。这是因为辐射可以进入气体，在气体中传播，最后一部分会穿透气体到达外面或固体壁。因此，气体的发射率和吸收率也与容器的形状和体积有关。8/7/2020-33-，第8章辐射传热的计算8-5气体辐射，图8-16 CO2和H2O的主要吸收带，图8-17穿过气体层的光谱辐射的衰减，8/7/2020-34-，第8章辐射传热的计算8-5气体辐射，2气体为了研究气体中辐射的衰减规律，如图8-17所示，我们假设投射在气体界面的光谱辐射强度x=0，经过一定距离后穿过微量元素气体层dx后，其衰减为。理论上，已经证明它与行程dx成正比。如果比例系数为，则有，8/7/2020-35-，第8章辐射传热的计算，8-5气体辐射。在公式中，负号表示吸收，是光谱衰减系数m-1，它取决于物体的类型、密度和波长。它可以通过积分上述公式得到，即比尔定律，其中s是辐射的路径长度，通常称为辐射