第9章辐射传热计算课件

第第9 9章章 辐射传热的计算辐射传热的计算9.1 9.1 辐射传热的角系数辐射传热的角系数9.1.1 9.1.1 角系数的定义及计算假定角系数的定义及计算假定两表面间的辐射传热与相对位置有关。两表面间的辐射传热与相对位置有关。两种极限情形：两种极限情形：定义，定义，角系数角系数 ：即表面即表面 1 发出发出的辐射能中，的辐射能中，落到落到表面表面 2 上的百分比。上的百分比。第9章 辐射传热的计算9.1 辐射传热的角系数9.1.11简化讨论，假设：简化讨论，假设：表面为漫射表面（各方向均匀辐射）；表面为漫射表面（各方向均匀辐射）；表面上各点均匀辐射（表面上各点均匀辐射（）。）。因此：因此：角系数是几何因子，与表面温度、发射率无关。角系数是几何因子，与表面温度、发射率无关。后面的讨论，都假设为黑体，也适用于漫灰表面。后面的讨论，都假设为黑体，也适用于漫灰表面。简化讨论，假设：表面为漫射表面（各方向均匀辐射）；表29.1.2 9.1.2 角系数的性质角系数的性质1.1.角系数的相对性角系数的相对性（1 1）两个微元表面两个微元表面 和和 （黑体）（黑体）对应的立体角：对应的立体角：方向可见辐射面积：方向可见辐射面积：9.1.2 角系数的性质1.角系数的相对性（1）两个微3同理：同理：同理：4（2 2）两个有限表面两个有限表面 与与 （黑体）（黑体）换热量：换热量：热平衡时：热平衡时：，（2）两个有限表面 与 （黑体）换热量：52.2.角系数的完整性角系数的完整性对封闭系统：对封闭系统：注意：注意：表面表面 1 1 为为凸表面凸表面 表面表面 1 1 为为凹表面凹表面2.角系数的完整性对封闭系统：注意：63.3.角系数的可加性角系数的可加性（1 1）表面）表面 1 1 对表面对表面 2 2 的辐射的辐射即：角系数的第二个角标，具有可加性。即：角系数的第二个角标，具有可加性。（2 2）表面）表面 2 2 对表面对表面 1 1 的辐射的辐射3.角系数的可加性（1）表面 1 对表面 2 的辐射即：角79.1.3 9.1.3 角系数的计算方法角系数的计算方法1.1.直接积分法直接积分法两微元表面两微元表面 和和 ：9.1.3 角系数的计算方法1.直接积分法两微元表面 8第9章辐射传热计算课件9第9章辐射传热计算课件10第9章辐射传热计算课件112.2.代数分析法代数分析法（1 1）三个凸表面，垂直方向无限延伸）三个凸表面，垂直方向无限延伸封闭系统封闭系统完整性：完整性：相对性：相对性：解方程，可得解方程，可得 6 6 个角系数：个角系数：垂直方向长度相同：垂直方向长度相同：（为辐射面长度）为辐射面长度）2.代数分析法（1）三个凸表面，垂直方向无限延伸封闭系12（2 2）两个不相交凸表面，垂直方向无限延伸）两个不相交凸表面，垂直方向无限延伸与侧面一起构成封闭系统与侧面一起构成封闭系统完整性：完整性：封闭系统封闭系统 abc abc：封闭系统封闭系统 abd abd：解得：解得：（2）两个不相交凸表面，垂直方向无限延伸与侧面一起构成封闭系13P404例题例题9-1 试确定如图所示的试确定如图所示的表面表面 1 对对表面表面 2 的角系数的角系数X1,2。解解：表面表面 2 2 对表面对表面 A A，表面表面 2 2 对表面（对表面（1+A1+A），P404例题9-1 试确定如图所示的表面 1 对表面 14 由可加性：由可加性：由相对性：由相对性：由可加性：由相对性：159.2 9.2 两表面封闭系统的辐射传热两表面封闭系统的辐射传热9.2.1 9.2.1 封闭腔模型及两黑体表面组成的封闭腔封闭腔模型及两黑体表面组成的封闭腔注：两表面之间为真空或透热介质（如空气）注：两表面之间为真空或透热介质（如空气）1.1.封闭腔模型封闭腔模型一个表面的辐射传热涉及：一个表面的辐射传热涉及：表面发出的辐射能（自身表面）；表面发出的辐射能（自身表面）；投入到表面的辐射能（周围环境中的表面）。投入到表面的辐射能（周围环境中的表面）。封闭腔封闭腔：所研究的表面与周围环境中的各表面组成封闭系统。所研究的表面与周围环境中的各表面组成封闭系统。例如：两个无限接近的平行板。例如：两个无限接近的平行板。9.2 两表面封闭系统的辐射传热9.2.1 封闭腔模型及162.2.两黑体表面封闭系统的辐射传热两黑体表面封闭系统的辐射传热垂直方向无限延伸垂直方向无限延伸二维系统二维系统净辐射传热量：净辐射传热量：两表面两表面势差势差空间辐射热阻空间辐射热阻2.两黑体表面封闭系统的辐射传热垂直方向无限延伸二维系179.2.2 9.2.2 有效辐射有效辐射1.1.有效辐射的定义有效辐射的定义投入辐射投入辐射 ：单位时间，投入到单位表面积上的总辐射能。：单位时间，投入到单位表面积上的总辐射能。有效辐射有效辐射 ：单位时间，离开表面单位表面积的总辐射能。：单位时间，离开表面单位表面积的总辐射能。注意：两者都为总辐射能，包括自身辐射和反射。注意：两者都为总辐射能，包括自身辐射和反射。对辐射特性为常数的表面对辐射特性为常数的表面 1：9.2.2 有效辐射1.有效辐射的定义投入辐射 182.2.有效辐射与辐射传热量的关系有效辐射与辐射传热量的关系从外部：从外部：传热量传热量从内部：从内部：传热量传热量消去消去 ，并且，并且 ：表面表面势差势差表面辐射热阻表面辐射热阻注意：注意：同一表面，省去角标；同一表面，省去角标；放热为正值放热为正值 。2.有效辐射与辐射传热量的关系从外部：传热量从内部：传199.2.3 9.2.3 两个漫灰表面组成的封闭腔的辐射传热两个漫灰表面组成的封闭腔的辐射传热假定：漫灰表面，垂直方向无限延伸假定：漫灰表面，垂直方向无限延伸两表面之间的辐射传热量：两表面之间的辐射传热量：表面表面 1 和表面和表面 2 辐射：辐射：，封闭腔能量守恒：封闭腔能量守恒：9.2.3 两个漫灰表面组成的封闭腔的辐射传热假定：漫灰表20解得：解得：表面势差表面势差各环节热阻各环节热阻改写：改写：注：注：系统发射率系统发射率，反映多次反射与吸收对传热的影响。，反映多次反射与吸收对传热的影响。解得：表面势差各环节热阻改写：注：系21三种特殊情形：三种特殊情形：表面表面 1 1 为非凹表面：为非凹表面：无限大平行平板：无限大平行平板：，三种特殊情形：表面 1 为非凹表面：无限大平行平板：22 表面表面 1 1 为非凹表面，并且为非凹表面，并且 ：，注：测量黑度实验。注：测量黑度实验。表面 1 为非凹表面，并且 ：，注23P408例题例题9-2 液氧储存容器为双壁镀银的夹层结构，外壁内表面温液氧储存容器为双壁镀银的夹层结构，外壁内表面温度度tw1=20oC，内壁外表面温度，内壁外表面温度tw2=183oC，镀银壁的发射率，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。试计算由于辐射传热每单位面积容器壁的散热量。解解：无限大平行平板：无限大平行平板P408例题9-2 液氧储存容器为双壁镀银的夹层结构，24P409例题例题9-3 一根直径一根直径d=50mm、长度、长度l=8m的钢管，被置于横断面的钢管，被置于横断面为为0.2m0.2m的砖槽道内。若钢管温度和发射率分别为的砖槽道内。若钢管温度和发射率分别为t1=250oC、1 1=0.79，砖槽壁面温度和发射率分别为，砖槽壁面温度和发射率分别为t2=27oC、2 2=0.93，试计，试计算该钢管的辐射散热损失。算该钢管的辐射散热损失。解解：，可看成封闭系统，可看成封闭系统钢管为非凹表面：钢管为非凹表面：P409例题9-3 一根直径d=50mm、长度l=8m25P410例题例题9-4 一直径一直径d=0.75m的圆筒形埋地式加热炉采用电加热方的圆筒形埋地式加热炉采用电加热方法加热，如图。在操作过程中需要将炉子顶盖移去一段时间，设法加热，如图。在操作过程中需要将炉子顶盖移去一段时间，设此时筒身温度为此时筒身温度为500K，筒底为，筒底为650K。环境温度为。环境温度为300K。试计算顶。试计算顶盖移去期间单位时间内的热损失。设筒身及底部均可作为黑体。盖移去期间单位时间内的热损失。设筒身及底部均可作为黑体。解解：侧面和底面为黑体，：侧面和底面为黑体，开口辐射会被外界全部吸收，也为黑体，开口辐射会被外界全部吸收，也为黑体，三个表面组成黑体封闭系统。三个表面组成黑体封闭系统。侧面对开口的辐射：侧面对开口的辐射：底面对开口的辐射：底面对开口的辐射：P410例题9-4 一直径d=0.75m的圆筒形埋地式26角系数计算：角系数计算：底面对开口：底面对开口：底面对侧面：底面对侧面：侧面对开口：侧面对开口：角系数计算：底面对开口：底面对侧面：侧面对开口：279.3.1 9.3.1 两表面换热系统的辐射网络两表面换热系统的辐射网络1.1.一个灰体表面一个灰体表面多表面系统多表面系统 ：封闭系统，一个表面与多个表面有辐射传热。：封闭系统，一个表面与多个表面有辐射传热。9.3 9.3 多表面系统的辐射传热多表面系统的辐射传热电势差电势差表面热阻表面热阻式中，式中，源电势源电势；节点电势节点电势。仿照电学，等效网络图：仿照电学，等效网络图：9.3.1 两表面换热系统的辐射网络1.一个灰体表面多表282.2.两个灰体表面两个灰体表面电势差电势差空间热阻空间热阻等效网络图：等效网络图：2.两个灰体表面电势差空间热阻等效网络图：293.3.两个灰体表面组成的封闭系统两个灰体表面组成的封闭系统等效网络图：等效网络图：3.两个灰体表面组成的封闭系统等效网络图：309.3.2 9.3.2 多表面封闭系统网络法求解的实施步骤多表面封闭系统网络法求解的实施步骤（1 1）画出等效的网络图）画出等效的网络图每个表面：源电势每个表面：源电势 ，两表面间：空间热阻两表面间：空间热阻 。表面热阻表面热阻 ，节点电势节点电势 ；注意：注意：9.3.2 多表面封闭系统网络法求解的实施步骤（1）画出等31（2 2）列出节点的电流方程）列出节点的电流方程 （基尔霍夫定律）（基尔霍夫定律）（2）列出节点的电流方程32（3 3）解方程组，可得表面有效辐射）解方程组，可得表面有效辐射 、；（4 4）求出每个表面的净辐射传热量）求出每个表面的净辐射传热量9.3.3 9.3.3 三表面封闭系统的两种特殊情形三表面封闭系统的两种特殊情形（1 1）一个表面为黑体）一个表面为黑体 ：（3）解方程组，可得表面有效辐射 、33（2 2）一个表面绝热）一个表面绝热 ：，（温度未知）（温度未知）重辐射面重辐射面：温度未知温度未知 。例如锅炉的耐火墙。例如锅炉的耐火墙。（2）一个表面绝热 ：，（温度未知）重辐射34三个表面的封闭系统，其中有重辐射面：三个表面的封闭系统，其中有重辐射面：三个表面的封闭系统，其中有重辐射面：35P415例题例题9-5 两块尺寸为两块尺寸为1m2m、间距为、间距为1m的平行平板置于室温的平行平板置于室温t3=27oC的大厂房内。平板背面不参与换热。已知两板的温度和发的大厂房内。平板背面不参与换热。已知两板的温度和发射率分别为射率分别为t1=827oC、t2=327oC和和1 1=0.2、2 2=0.5，试计算每块板，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。的净辐射散热量及厂房墙壁所得到的辐射热量。解解：三个灰体表面组成封闭系统。：三个灰体表面组成封闭系统。厂房面积厂房面积 较大：较大：，P415例题9-5 两块尺寸为1m2m、间距为1m的36 角系数：角系数：热阻：热阻：，角系数：热阻：37 源点电势：源点电势：电流方程：电流方程：源点电势：电流方程：38 辐射传热量：辐射传热量：辐射传热量：39P417例题例题9-6 假设例题假设例题9-5重大房间的墙壁为重辐射表面，在其他重大房间的墙壁为重辐射表面，在其他条件不变时，试计算温度较高表面的净辐射散热量。条件不变时，试计算温度较高表面的净辐射散热量。解解：厂房墙壁为绝热表面：厂房墙壁为绝热表面：，但，但 未知。未知。，P417例题9-6 假设例题9-5重大房间的墙壁为重辐40并联部分等效热阻为：并联部分等效热阻为：总热阻为：总热阻为：净辐射散热量为：净辐射散热量为：并联部分等效热阻为：总热阻为：净辐射散热量为：419.4 9.4 气体辐射的特点及计算气体辐射的特点及计算透明气体：分子结构对称的双原子气体，空气、氢气等。透明气体：分子结构对称的双原子气体，空气、氢气等。辐射气体：分子结构不对称的双原子气体、多原子气体，辐射气体：分子结构不对称的双原子气体、多原子气体，水蒸气、二氧化碳、二氧化硫、一氧化碳、臭氧、甲烷等。水蒸气、二氧化碳、二氧化硫、一氧化碳、臭氧、甲烷等。燃烧产物常含有水蒸汽、二氧化碳，重点介绍其辐射。燃烧产物常含有水蒸汽、二氧化碳，重点介绍其辐射。9.4.1 9.4.1 气体辐射的特点气体辐射的特点1.1.气体辐射对波长具有选择性气体辐射对波长具有选择性光带光带：气体辐射对波长具有强烈的选择性。：气体辐射对波长具有强烈的选择性。气体在某些波长区段具有较强的辐射和吸收能力，气体在某些波长区段具有较强的辐射和吸收能力，这些波长区段被称为光带。光带以外，气体是透明体。这些波长区段被称为光带。光带以外，气体是透明体。9.4 气体辐射的特点及计算透明气体：分子结构对称的双原子42 臭氧：全部吸收波长小于臭氧：全部吸收波长小于 的紫外线；的紫外线；CO CO2 2：、H H2 2O O：、臭氧：全部吸收波长小于 的紫外线；432.2.气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的投射到气体界面上的辐射能，在辐射行程中被吸收减弱。投射到气体界面上的辐射能，在辐射行程中被吸收减弱。即气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的，与形状和容积有关。即气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的，与形状和容积有关。讨论气体的辐射和吸收时，必须说明气体所处容器的形状和大小。讨论气体的辐射和吸收时，必须说明气体所处容器的形状和大小。2.气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的投射到气体界面上的449.4.2 9.4.2 光谱辐射能在气层中的定向传播光谱辐射能在气层中的定向传播 处，投入辐射的光谱辐射强度为处，投入辐射的光谱辐射强度为通过距离通过距离 后，光谱辐射强度变为后，光谱辐射强度变为取微元气体层取微元气体层 ：温度和压力为常数时，温度和压力为常数时，光谱减弱系数光谱减弱系数 不变：不变：贝尔定律贝尔定律9.4.2 光谱辐射能在气层中的定向传播 处，45 为厚度为为厚度为 的气体层的单色穿透比的气体层的单色穿透比对于气体，反射比对于气体，反射比 ：注：气体层较厚时，注：气体层较厚时，。将基尔霍夫定律应用于光谱辐射：将基尔霍夫定律应用于光谱辐射：注意：光谱减弱系数注意：光谱减弱系数 取决于气体的种类、密度和波长。取决于气体的种类、密度和波长。为厚度为 的气体层的单色穿透比469.4.3 9.4.3 平均射线程长的计算平均射线程长的计算气体具有容积辐射的特点，即容积内每一点都发出辐射。气体具有容积辐射的特点，即容积内每一点都发出辐射。气体容积的形状和尺寸不同，射线行程的长度（射线程长）不同。气体容积的形状和尺寸不同，射线行程的长度（射线程长）不同。当量半球当量半球：在相同条件下，半球内气体对球心的辐射力，：在相同条件下，半球内气体对球心的辐射力，等于实际气体对指定区域的辐射力。等于实际气体对指定区域的辐射力。当量半球半径当量半球半径：用当量半球的半径表示平均射线程长。：用当量半球的半径表示平均射线程长。9.4.3 平均射线程长的计算气体具有容积辐射的特点，即容479-39-3489.5 9.5 辐射传热的控制（强化和削弱）辐射传热的控制（强化和削弱）9.5 辐射传热的控制（强化和削弱）49第9章辐射传热计算课件50第9章辐射传热计算课件51第9章辐射传热计算课件52第9章辐射传热计算课件53第9章辐射传热计算课件54