传热学第九章-辐射传热的计算

1、第九章辐射传热的计算,传热学 heat transfer,9-1 角系数的定义、性质与计算,即便其它条件一致，两物体间的辐射换热量随表面的相对位置不同而存在较大的差异。（教材图9-1）,why,角系数定义：表面1发出的辐射能落到表面2上的百分数称为表面1对表面2 的角系 数x1,2 “发出” 包含表面1自身的辐射和反射的辐射； “落到” 不管表面2是否能够吸收；,角系数概念的假定： 所研究的表面为漫射体 表面的辐射热流均匀 角系数的基本属性： 纯几何因子，与表面的温度和发射率无关。,两黑体表面间的辐射换热量,传热学 heat transfer,9-1 角系数的定义、性质与计算,角系数的性质,相

2、对性,完整性,可加性,角系数的相对性： 两个表面间的角系数 x1,2和x2,1 不是独立存在的。 （推导基于立体角概念和兰贝特定律）,两个有限大小表面,1,传热学 heat transfer,9-1 角系数的定义、性质与计算,角系数的性质,相对性,完整性,可加性,角系数的完整性： 由n个表面组成的封闭腔，有,2,表面1为非凹表面（凸面或平面）：x1,10 表面1为凹表面：x1,10,发射面1自身,凹表面,非凹表面,传热学 heat transfer,9-1 角系数的定义、性质与计算,角系数的性质,相对性,完整性,可加性,角系数的可加性： 设表面2由2a 和2b 两部分组成，有,3,表面1到表面

3、2,表面2到表面1,注意：,角系数的直接相加仅适合角系数符号第二角码,传热学 heat transfer,9-1 角系数的定义、性质与计算,角系数的计算,直接积分法,代数分析法,几何分析法、蒙特卡罗法,直接积分法： 利用角系数的基本定义通过多重积分求解。,1,四重积分太复杂？,常见几何结构角系数的求解查图表 （教材图9-79-9、表9-1、9-2）,传热学 heat transfer,9-1 角系数的定义、性质与计算,角系数的计算,直接积分法,代数分析法,几何分析法、蒙特卡罗法,代数分析法： 利用角系数的性质，通过求解代数方程组获得角系数的方法。,2,三个非凹表面组成的封闭系统 （忽略垂直方向

4、两端辐射能的逸出）,相对性,完整性,传热学 heat transfer,9-1 角系数的定义、性质与计算,角系数的计算,直接积分法,代数分析法,几何分析法、蒙特卡罗法,代数分析法： 利用角系数的性质，通过求解代数方程组获得角系数的方法。,2,三个非凹表面组成的封闭系统 （忽略垂直方向两端辐射能的逸出）,以线段长度表示,传热学 heat transfer,9-1 角系数的定义、性质与计算,角系数的计算,直接积分法,代数分析法,几何分析法、蒙特卡罗法,代数分析法： 利用角系数的性质，通过求解代数方程组获得角系数的方法。,2,两个非凹表面及假想面组成的封闭系统 （垂直方向无限长）,完整性,传热学 h

5、eat transfer,9-1 角系数的定义、性质与计算,角系数的计算,直接积分法,代数分析法,几何分析法、蒙特卡罗法,代数分析法： 利用角系数的性质，通过求解代数方程组获得角系数的方法。,2,两个非凹表面及假想面组成的封闭系统 （垂直方向无限长）,又称为交叉线法。 交叉线和不交叉线均指虚拟的辅助线。,传热学 heat transfer,9-2 被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热,透热介质： 不参与热辐射的介质。 封闭腔模型：计算任一表面与外界的辐射换热，必须计及空间各方向辐射能的发射和接收。因此，计算对象必须是包含所研究表面的封闭腔。 封闭腔边界可以是全部真实的，亦可部分虚拟的。 封闭

6、腔模型适用于黑体和漫灰表面间辐射换热计算。,导热、对流传热,辐射传热,直接接触的物体,物体表面间被真空或者透热介质隔开,吸收比小于1，且存在对投入辐射的反射,传热学 heat transfer,9-2 被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热,1,被透热介质隔开的两黑体表面间的辐射换热,角系数的相对性,黑体辐射换热的等效网络,黑体辐射换热计算的关键在于角系数x1,2的求取,空间辐射热阻的理解？,传热学 heat transfer,9-2 被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热,2,被透热介质隔开的两漫灰表面间的辐射换热,漫灰表面吸收与发射辐射能的特点,有效辐射j 的概念,投入辐射 g： 单位时间

7、投射到单位表面积的总辐射能。 有效辐射 j：单位时间离开单位表面积的总辐射能，包括自身辐射和反射辐射。,漫灰表面1 外能感受到的表面辐射即有效辐射 j1，计算漫灰表面的辐射换热采用有效辐射的概念，而非黑体的辐射力eb。,有效辐射,自身辐射,反射辐射,固体、液体的穿透比0，,传热学 heat transfer,9-2 被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热,2,被透热介质隔开的两漫灰表面间的辐射换热,漫灰表面间辐射换热量 q 与有效辐射j 的关联：,关联式具有普遍性，注意是针对同一表面，且以向外的净放热为正值。,实际物体表面的有效辐射j 总是小于相同表面温度的黑体辐射力eb 吗？,传热学 hea

8、t transfer,9-2 被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热,2,被透热介质隔开的两漫灰表面间的辐射换热,两黑体表面,两漫灰表面,系统发射率s ： 是考虑由于灰体系统多次吸收与反射对换热量影响的因子。 s 1,传热学 heat transfer,9-2 被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热,2,被透热介质隔开的两漫灰表面间的辐射换热,两漫灰面辐射换热的等效网络,两漫灰面辐射换热的等效网络相比于两黑体表面多出两个表面辐射热阻,两类热阻的理解？,传热学 heat transfer,9-2 被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热,2,被透热介质隔开的两漫灰表面间的辐射换热,表面1为非凹面，

9、x1,10 x1,21,简化1,x1,21，表面积a1a2,简化2,x1,21，表面积a1a2,简化3,传热学 heat transfer,9-3 多表面系统辐射换热的计算,对于多表面系统，采用网络法计算每一个表面的净辐射换热量。 网络法：将辐射热阻比拟成等效的电阻，通过等效的网络图求解辐射换热。 用电路来比拟辐射热流的传递路径，电路中的电流、电位差和电阻对应辐射换热中的热流、热势差与热阻。,eb源热势 j 节点热势 热流,每一个辐射表面对应一个表面辐射热阻，黑体的表面辐射热阻为零,每一对辐射表面对应一个空间辐射热阻。,表面辐射热阻对应热势差 eb-j 空间辐射热阻对应热势差 j1-j2,传热

10、学 heat transfer,9-3 多表面系统辐射换热的计算,网络法求解辐射换热的步骤： 分析封闭系统的表面组成，以及各个表面的性质（黑体、漫灰、绝热）； 画出等效网络图； 2.1 每个辐射表面（非绝热的）画出相应的电路（源热势、节点热势、表面辐射热阻）； 2.2 各表面间由节点热势（即有效辐射j）通过空间辐射热阻进行连接。,三个漫灰面组成的封闭空腔,传热学 heat transfer,9-3 多表面系统辐射换热的计算,网络法求解辐射换热的步骤： 3. 根据等效网络图，利用电路基尔霍夫定律（所有流向节点j的热流量代数和0），列出节点的电流（热流量）方程；,传热学 heat transfer

11、,9-3 多表面系统辐射换热的计算,网络法求解辐射换热的步骤： 求解节点的电流（热流量）方程，得到节点热势（即有效辐射j ），每个表面对应一个j，n个表面得到j1jn； 计算每个表面的净辐射换热量i，以及两个表面间的辐射换热量ij。,任一表面的净辐射换热量：,两表面间的辐射换热量：,传热学 heat transfer,9-3 多表面系统辐射换热的计算,网络法求解辐射换热的两个特例：,一个表面为黑体或面积无穷大，对应的表面辐射热阻0，jiebi,1,两个漫灰面+一个黑体面组成的封闭空腔,减少一个节点方程,传热学 heat transfer,9-3 多表面系统辐射换热的计算,网络法求解辐射换热的两

12、个特例：,一个表面绝热，净辐射换热量 q0（即为重辐射面 jiebi）,2,两个漫灰面+一个重辐射面组成的封闭空腔,重辐射面：表面温度未定而净辐射换热量为零的表面。,与特例1 的区别在于j3 并不是源电势，表面温度t3 未知。,传热学 heat transfer,9-3 多表面系统辐射换热的计算,上述辐射换热计算的前提条件： 透热介质+封闭腔模型； 稳态换热； 辐射表面为黑体或漫灰表面； 辐射表面的辐射热流均匀（对于漫灰面，即有效辐射j 均匀）； 不考虑对流换热 本书介绍的辐射换热计算必须满足上述前提。 两点补充： 适合计算机求解的有效辐射显式形式； 计算表面的划分应该以热边界条件为依据，不能

13、拘泥于几何边界。,传热学 heat transfer,9-4 气体辐射的特点及计算,气体辐射的特点（co2、h2o）： 气体辐射对波长有选择性， co2、h2o各有三个位于红外线光带的区间具有辐射和吸收的本领。气体一般不能做灰体假设； 气体辐射在整个容积中进行，与气体的在容器中的分子数目和容器的形状和容积有关。,传热学 heat transfer,气体光谱辐射强度的削弱规律贝尔定律,辐射能通过吸收性气体层，不断被气体吸收而削弱。削弱的程度取决于辐射强度和气体分子数目。,贝尔定律：光谱辐射强度呈指数规律衰减。,9-4 气体辐射的特点及计算,传热学 heat transfer,气体发射率与平均线程

14、长,气体发射率：,气体辐射力：,气体辐射力与射线行程长度有关,如何评价？,平均线程长 s,将形状各异的气体容积辐射力当量半球内相同气体对球心的辐射力,平均射线行程长当量半球半径,平均线程长 s,依据气体容积形状查表9-3,s3.6v/a,气体的分压力,9-4 气体辐射的特点及计算,传热学 heat transfer,气体辐射的计算（发射）,气体发射率的计算,h2o,co2,h2o+co2,查图9-31，9-32,查图9-33，9-34,查图9-319-35,上标*表示总压力105pa，水蒸气或co2分压力为零的理想情况。,9-4 气体辐射的特点及计算,传热学 heat transfer,气体辐

15、射的计算（吸收）,由于气体辐射对波长具有选择性，不能视为灰体,气体吸收比的计算,h2o+co2,9-4 气体辐射的特点及计算,传热学 heat transfer,气体辐射换热量的计算,气体与黑体壁面的辐射换热热流气体的自身辐射 气体的吸收辐射,9-4 气体辐射的特点及计算,传热学 heat transfer,9-5 辐射传热的控制（强化与削弱）,增加辐射表面积 a 增加角系数 x1,2 图9-39：将高温部件置于相对冷表面角系数较大的位置。,控制空间辐射热阻,强化,控制表面辐射热阻,强化,增加辐射表面积 a 增加换热表面的发射率 a2a1，所以增加表面积为a1的物体的发射率1 更加有效。（减小

16、串联环节的最大热阻项）,a11，a210 1 20.5 1.1 1 0.5 20.8 1.025 1 0.8 20.5 0.35,传热学 heat transfer,9-5 辐射传热的控制（强化与削弱）,控制表面辐射热阻,削弱,减小换热表面的发射率 工厂蒸汽管道外敷铝箔 2. 两辐射表面间安插遮热板,实际物体对太阳能的吸收,传热学 heat transfer,遮热板削弱辐射传热：,不加板,加板,增加一层遮热板，相当于增加两个表面辐射热阻，以及一个空间辐射热阻。（习题：9-24）,9-5 辐射传热的控制（强化与削弱）,减小一半！,加一层遮热板后的等效网络图？,增加 n 层遮热板：,遮热板的工程应用：汽轮机高压、中压缸连接管；低温容器；输送蒸汽的隔热油管；遮热罩抽气式热电偶。,传热学 heat transfer,单层遮热罩抽气式热电偶,热电偶测量管内流体温度 tf： 不加遮热罩时由于热电偶辐射换热，测量精度低； 已知：t1=792, tw=600 , h=58.2w/m2k, 1=0.3。 求：tf 2. 加遮热罩减小辐射换热，同时抽气增加对流换热系数，精度提高； 加单层抽气式遮热罩。 已知：h=118w/m2k, tf1000 1=3=0.3 , 求：t