传热学第9章_辐射传热的计算

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1、第9章 辐射传热计算,基 本 要 求,1掌握辐射角系数的定义、特性及常用计算 方法，并能针对实际情况计算角系数 2能进行两表面系统的辐射传热计算 3能针对实际辐射传热系统熟练绘制辐射网 络图，并能应用网络法进行多表面系统的 辐射传热计算 4了解辐射性气体与非辐射性气体的概念、 气体辐射的特点 5能进行辐射传热过程强化与削弱的分析(包 括进行有遮热板的辐射传热系统),主 要 内 容,重点：固体表面间辐射传热的计算,角系数的定义、性质及计算 两表面封闭系统的辐射传热 1、两黑体间的辐射传热 2、由两个等温的漫灰表面组成的封闭 系统的辐射传热 多表面系统的辐射传热 辐射传热的强化与削弱 综合传热问题

2、分析,9.1 辐射传热的角系数 辐射换热计算的基础,一、角系数的定义 二、角系数的特性：相对性、完整性、可加性 三、角系数的计算：直接积分法、代数分析法、 几何分析法、形状分解法,9.1.1 角系数的定义及计算假定,假定：(1)所研究表面是漫射的 (2)在所研究表面的不同地点上向外发射的 辐射热流密度是均匀的,定义: 表面i发出的辐射能中 落到表面j上的百分数， 称为表面i对表面j的角 系数，记为Xi，j,角系数是一纯几何因子,9.1.2 角系数的性质相对性、完整性、可加性,1.角系数的相对性：,2、角系数的完整性：,对于图示由n个表面所组成的封闭系统，有：,其中： 对于平面或凸面，Xi，i=

3、0 对于凹面，Xi，i0,3、角系数的可加性：,广义形式：,9.1.3 角系数的计算方法,1、直接积分法（数学分析法） 直接利用角系数的定义，得,几种典型三维几何体系的角系数线算图见399， P400；相应的角系数计算公式见P402表9-2； 某些二维结构的角系数计算公式见P401表9-1,2、代数分析法*利用角系数的三个性质求解,结果：,结果：,(2)交叉线法,条件：a.二个表面均为非凹 表面； b.垂直于纸面方向为 足够长,3、根据已知几何关系的角系数, 推出其他几何关系 的角系数-也称形状分解法,关键：,实例：例题9-1,4、几种特殊几何关系的角系数,(2)两平行大平板：,(1)包容关系

4、（1是被包物体凸面）,其中，X2,（1+A）、 X2,A可由线算图查得； A1、A2已知,P404例9-1：求角系数X1，2,例：求锅炉炉堂内火焰对水冷壁管的角系数,9.2 两表面封闭系统的辐射传热,前提：固体表面间的介质对热辐射透明(透热介质),9.2.1 两黑体表面组成的封闭腔的辐射传热,1. 封闭腔模型 在辐射传热计算中, 计算对象必须是包含所 研究表面在内的一个封闭腔。该封闭腔的表面 可以是真实的，也可以部分是虚构的。 这样，在计算任何一个表面与外界之间的 辐射传热时，可保证把由该表面向空间各个方 向发射出去的辐射能及由空间各个方向投入到 该表面的辐射能均包括进去。,2. 两黑体表面封

5、闭系统的辐射传热,灰体间辐射传热的特点： 存在多次吸收和反射过程,9.2.2 有效辐射,1. 有效辐射的定义,有效辐射J 在单位时间内离开表面单位表面积的总辐射 能，称为该表面的有效辐射,投入辐射G 单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能， 称为对该表面的投入辐射,假定:表面温度均匀,且发射特性和吸收特性是常数,2. 有效辐射与辐射传热量的关系(参见右图)：,注：考虑到表面1的任意性，后 两式中已删除了下角码“1”,或：,9.2.3 两个漫灰表面组成的封闭腔的辐射传热,将式（9-12）分别应用于表面1、2，有：,参照黑体公式(9-11),对于两灰体表面间的辐射传热有：,上面三式联立求解（ ）

6、，解得：,式中，,称为系统发射率(其值与辐射传热系统的组合有关,1),特例（简化）：,2、,典型实例： 热水瓶胆、贮液容器、双层玻璃窗等等,3、,典型实例： 放置于大房间内的小物体（如高温管道）与房间壁间的辐射传热； 热电偶节点（或其他温度计的温包）与管壁间的辐射传热； 厂房内设备的辐射散热； 锅炉观察窗与炉膛壁间的辐射传热，等等。,例：q、的计算（P408-410）,例9-2：液氮储存容器单位面积散热量q的计算 简化成两无限大平行平板处理,例9-3：置于方形砖槽道内的钢管辐射热损失的计算 直接用公式（9-15）或近似采用A1/A20 模型,例9-4：圆筒形埋地式加热炉热损失的计算* （同类型

7、问题：热金属板中的孔壁对外辐射）,处理方法： (1)将开口看作温度为环境温度的黑体 (2)温度、黑度条件相同且相连的内表 面作为一个表面处理,三个等温黑表面组成的封闭腔辐射,9.3 多表面系统的辐射传热,2、计算方法： 网络法* 把辐射热阻比拟成等效的电阻，从而 通过等效的网络图来求解辐射传热 数值法（原理同导热问题的数值计算）,1、本节讨论重点：某一表面的净辐射传热量的计算 工程计算的主要目的 某一表面的净辐射传热量 为该表面与其余各表面分别传热的传热量之和,9.3.1 两表面换热系统的辐射网络,1、表面网络单元,特例：黑体， =1， Rs =0，Eb=J； 大表面(A很大)， Rs 0，

8、Eb J,等效电路图：,2、空间网络单元,由式（d）：,得：,等效电路图：,(1)画出等效的辐射网络图，并求出各热阻值及与 各表面温度对应的Eb值；,(2)列出各节点的节点电流方程（依据：直流电路 中的基尔霍夫定律），得一代数方程组；,(3)求解上述代数方程(组)，得各节点电势值Ji*；,(4)计算辐射传热量。其中：,9.3.2 多表面封闭系统辐射网络法求解步骤,(1)分析辐射换热系统的换热情况，确定参与换热的表 面个数，并进行编号；,(2)画出节点（每一换热表面为一个节点），并依次 标为J1、J2、J3、等等；,(3)逐个分析换热表面的特性，确定表面热阻： 表面为黑体时，表面热阻为零，J=E

9、 b； 大表面的表面热阻趋近于零，JE b；,(4)逐个分析两两表面间的换热情况，确定空间热阻： 如两表面可见，则在该两表面间连一空间热阻； 如两表面不可见，则不连空间热阻(断开)。,辐射网络图的画法,（1）二个灰体表面间的辐射换热网络图：,辐射网络图画法举例：,（2）三个灰体表面间的辐射换热网络图：,（3）四个灰体表面间的辐射换热网络图,9.3.3 三表面封闭系统中的几个特例,(2)其中一个表面为大表面，则 表面热阻为：,注意(a)(b)两种 情况的差别,对于(b)或(c),有,例9-5： 两块温度、黑度、尺寸 及间距一定的平行平板置于 温度恒定的大房间内 (平板 背面不参与换热) 求：(1

10、)每板的净辐射散热量 (2)厂房墙壁得到的辐射热量,分析：板1、2为灰表面， 厂房3 为灰表面（大表面，表面热阻可视为零）,例9-6：大房间的墙壁为重辐射面，其他同例9-5 求：温度较高表面的净辐射散热量 即求,注意： 1、多表面系统表面的划分依据：以热边界条件为 主（不应纯按几何面划分） 2、前面讨论问题均为第一类边界条件；其他边界 条件下的求解及结果可参见文献1、2 3、计算中应注意有效数字的位数，特别是在求各 节点的有效辐射 Ji 时。,例9-7：辐射采暖房间，顶棚设置加热器 求：(1)顶棚总辐射热量 (2)其他表面的净辐射换热量 注意表面的划分方法,问题类型： 四个灰体表面组成的 封闭

11、腔的辐射换热问,网络图,其中:1(顶棚)-加热面 2,3侧墙 4地板,9-4 气体辐射的特点（简介）,常见的辐射性气体：三原子气体、多原子气体、 结构不对称的双原子气体(如CO) 非辐射性气体(热辐射的透明体) ：结构对称的 双原子气体,辐射性气体 具有发射和吸收辐射能的能力的气体,9.4.1 气体辐射的特点：,1. 气体辐射对波长有(强烈的)选择性 只在某些波长区段内具有辐射能力, 相应地 也只在同样的波长区段内才具有吸收能力,辐射性气体的光带见P420图9-27,2. 气体的辐射和吸收在整个容积中进行,就吸收而言, 投射到气体层界面上的辐射能 通过吸收性气体层时，在辐射行程中被气体吸收 而

12、减弱; 就辐射而言, 气体层界面上所感受到的 辐射为到达界面上的整个容积中的气体的辐射.,被辐射性气体（吸收性介质）所隔开的两表 面间的辐射换热计算略.,9.5 辐射传热的控制(强化与削弱),要求： 了解强化与削弱辐射传热的基本方法及其工程应用,9.5.1 控制物体表面间辐射传热的基本方法 (前提: 冷、热表面温度一定, 即Eb1、Eb2一定) 控制表面热阻 控制空间热阻,1. 控制表面热阻,(1)改变表面积A,(2)改变换热表面的发射率* 首先改变对辐射传热影响最大的那一表面的 发射率(即串联环节中表面热阻最大的表面)； 当辐射传热同时涉及温度较低的红外辐射与 温度较高的太阳辐射时, 控制红

13、外辐射的发射率与 对太阳辐射的吸收比应同时入手.,应用实例: 太阳能集热器中的选择性涂层 要求: 红外辐射的发射率尽可能地小, 对太阳辐射 的吸收比s尽可能地大.,2. 控制空间热阻,(1) 改变表面积A,(2) 改变两表面的布置以改变角系数* 如对于两无限大平板，平行放置时的角系数最大,应用实例: 送风式电子器件机箱中的元件布置,特征：遮热板在整个辐射传热系统中并不放出 或带走任何热量，只是在热流通路中另 外添加了阻力，使得整个传热过程受到 阻碍，即阻隔辐射传热 。,9.5.2 遮热板的原理及应用,1 、遮热原理分析主要掌握分析方法,关键： 在热稳态情况下有q1,3=q3,2=q1,2,推导

14、过程,由式（9-16）得：,利用热稳态条件q1,3=q3,2=q1,2，从上面两式消去Eb3 后可解得：,上式中，q1,2(0)为无遮热板时表面1，2间的辐射传热量,附：加一块遮热板，但三板黑度不同(仍都为灰体)时,利用热稳态条件从上面两式可解得：,消去Eb3后得：,1=2=3=时即为前式,结论,在两黑度相同的平行平板间加入黑度相同的 n 块遮热板，其辐射传热量将减小为原来的1/(n+1)。 所加遮热板的黑度越小、遮热板块数越多，遮热效果越明显,汽轮机中, 用于减少内、外套管间的辐射传热 用于低温容器（杜瓦瓶）隔热保温； 用于超级隔热油管； 用于提高测温准确度。 如：遮热罩抽气式热电偶(可减少

15、测温误差) 等等。,2.遮热板的应用实例,第9-6节 传热问题综合分析 提出问题、作出假设、 建立模型、理论求解,实例： 1、炉膛辐射热流密度的测定 2、遮热罩抽气式热电偶测温 3、轿车后窗玻璃的热分析,9.6.1 炉膛辐射热流密度的简易测定方法,假定： (1)过桥的导热系数为常数； (2)忽略过桥背火面与炉墙间的辐射传热； (3)火焰对过桥表面的辐射热流均匀； (4)辐射热流一经表面吸收即成为平行于过桥 壁面而向两侧传导的导热热流； (5)过桥表面温度远低于火焰温度； (6)忽略过桥表面与烟气间的对流传热。,热平衡关系：,求解结果：,9.6.2 遮热罩抽气式热电偶测温,(2)加遮热罩后,遮热罩温度t3tw， 热平衡关系为：,P436例：热电偶测温问题计算 无罩时：测温绝对误差206.2 测温相对误差20.7% 有罩时: 测温绝对误差48.8 测温相对误差4.88%,轿车后窗玻璃的热分析,假设： (1) 内热源（电热丝产热）均匀； (2)玻璃中的导热过程为一维稳定过程； (3)内侧复合表面传热系数ht,i与外侧表面传热系 数h0均已知,热平衡关系：,9.6.3 辐射传热系数,定义：,即：,称为辐射传热表面传热系数 简称辐射传热系数，其值与 系统情况有关,1、角系数的定义 2、角系数的特性： 3、角系数的