第9章輻射傳熱計算-2015-1課堂

1、第第 9 9 章章 輻射傳熱計算輻射傳熱計算 兩個表面之間的輻射換熱的影響因素（1）表面性質(zhì)； （2）相對幾何位置；（3）溫度問題：兩個表面之間輻射換熱與哪些因素有關？1. 下面兩個平板間輻射換熱量是否相同？2. 圖中兩個黑體表面間輻射換熱量？12 = Eb1A1 - Eb2A2？ 角系數(shù)輻射傳熱的主要內(nèi)容 輻射傳熱計算中的幾何因子角系數(shù)的物理意義、性質(zhì)及其計算方法 黑體和灰體（漫灰）輻射傳熱中幾個重要概念：有效輻射、表面輻射熱阻和空間輻射熱阻等 黑體和灰體（漫灰）表面組成封閉系統(tǒng)的輻射傳熱計算，輻射傳熱的等效網(wǎng)絡圖 氣體輻射的特點，含有二氧化碳和水蒸汽的氣體發(fā)射率和吸收比的計算方法；氣體與包

2、壁間傳熱的簡化計算方法9.1 輻射傳熱的角系數(shù)假設：(1) 表面是漫射的 (2) 表面的不同地點發(fā)射的輻射熱流密度均勻的定義: 表面1發(fā)出的輻射能中 落到表面2上的百分數(shù)， 稱為表面1對表面2的角系數(shù)， 記為X1，2：1. 角系數(shù)的定義及計算假定的總輻射能的總輻射能離開表面離開表面的輻射能的輻射能并直接到達表面并直接到達表面離開表面離開表面121X,21 角系數(shù)的計算原理黑體微元面dA1對微元面dA2的角系數(shù)記為Xd1,d2，根據(jù)前面的定義式有1111, 2b11cos d dE dbddIAXA同理：221112rcoscosAdXd ,d 222rcosdAd 其中：11bbIE兩微元面間

3、的輻射2122dcoscosAr 角系數(shù)的計算原理對于任意兩個漫射表面A1和A2的角系數(shù)：同理：2122112, 121coscos1dAdArAXAA1n2n1dA2dArA21212任意位置的兩表面間的任意位置的兩表面間的輻射換熱輻射換熱1n2n1dA2dArA112 12任意位置的兩表面間的任意位置的兩表面間的輻射換熱輻射換熱1112121, 22b11cosd ddcoscosE dbddIAAXAr2221122dArcoscosXAA,d 2122121 ,221coscos1dAdArAXAA角系數(shù)的性質(zhì)：純幾何因子；與表面溫度，發(fā)射率無關 角系數(shù)的相對性 （reciprocit

4、y rule）2. 角系數(shù)的性質(zhì)2122112, 121coscos1dAdArAXAA2122121 ,221coscos1dAdArAXAA根據(jù)角系數(shù)定義的定義：則有：1 ,222, 11XAXAi ,jjj,iiXAXA1n2n1dA2dArA21212任意位置的兩表面間的任意位置的兩表面間的輻射換熱輻射換熱1n2n1dA2dArA112 12任意位置的兩表面間的任意位置的兩表面間的輻射換熱輻射換熱即：由n個表面組成的封閉系統(tǒng)，任一表面對其余表面的角系數(shù)之間存在下列關系：n,n,iiXXX.XX 1 11 21 31111 角系數(shù)的完整性 （summation rule）2. 角系數(shù)的性

5、質(zhì)對于發(fā)射面1自身：表面1為非凹表面（凸面或平面）: X1,10表面1為凹表面：X1,10 非凹表面凹表面 角系數(shù)的可加性(分解性) （superposition rule）2. 角系數(shù)的性質(zhì)由表面1發(fā)出的輻射能到達表面2的能量，等于表面1發(fā)出的輻射能到達表面2各部分能量之和：設表面2由2A 和2B 兩部分組成，表面1到表面2：BAXXX2, 12, 12, 1nii,XX12121設表面2由n個部分組成：b,(AB )b, Ab, BA E XA E XA E X 11122111 2111 222222122212221ABb(AB ),AbA,BbB,AE XA E XA E X2. 角

6、系數(shù)的性質(zhì)表面2到表面11 ,2221 ,2221 , 2BBAAXAAXAAX問題：是是否否成成立立？,A,B,XXX 2 12121注意：注意：1 ,21 ,21 , 2BAXXX角系數(shù)的直接相加僅適合角系數(shù)符號第二角碼3. 角系數(shù)的計算方法 直接積分法（數(shù)學分析法） 利用角系數(shù)的定義 122212112, 1coscos1A ArdAdAAX(9-6)重積分計算過于復雜，結(jié)果用線算圖表示常見幾何結(jié)構(gòu)角系數(shù)的求解查圖表 （教材圖9-79-9，表9-1、9-2） 代數(shù)分析法 利用角系數(shù)的三個性質(zhì)(1)三個非凹表面組成的封閉系統(tǒng)(垂直紙面方向無限長)可認為是一封閉系統(tǒng)2333221333111

7、22211,XAXAXAXAXAXA相對性13212, 12AAAAX13212, 12llllX聯(lián)立求解：以線段長度表示完整性111231332123121,XXXXXX（2）兩個非凹表面及假想面組成的封閉系統(tǒng)（垂直方向無限長）abadbdabXabbcacabXXXXbdabacabbdabacabcdab221,根據(jù)完整性：的斷面長度表面不交叉線之和交叉線之和1,22)()(AabbdacadbcXcdab(3)幾種特殊幾何關系的角系數(shù) 兩平行大平板：11 ,22, 1 XX 包容關系（1是被包物體凸面）AA1 2112 11 2221,X,AXXA ,(A),AA XXAA ( XX)

8、A 22 11 2122121相對性:可加性:其中，X2,（1+A）、 X2,A可由線算圖9-8查得:X2,（1+A）: Y/X=2.5, Z/X=2 X2,（1+A）=0.15X2,A: Y/X=2.5, Z/X=1 X2,A=0.1 帶入上式，且A1、A2已知： X1,2=0.125例9-1：求角系數(shù)X1，2=,(A),A,(A),AXXXXXX 2 12 122 12 121m例：求鍋爐爐堂內(nèi)火焰對水冷壁管的角系數(shù)例：求鍋爐爐堂內(nèi)火焰對水冷壁管的角系數(shù)ADBCDAMBADADBCDAMBADXXAMBAD222,_9.2 兩表面封閉系統(tǒng)的輻射換熱討論范圍： 黑體或者漫灰物體 物體表面間被

9、真空或者透熱介質(zhì)隔開 輻射換熱表面構(gòu)成封閉腔透熱介質(zhì)： 不參與熱輻射的介質(zhì)。封閉腔模型：計算任一表面與外界的輻射換熱，必須計及空間各方向輻射能的發(fā)射和接收。因此，計算對象必須是包含所研究表面的封閉腔。封閉腔邊界可以是全部真實的，亦可部分虛擬的。1. 兩黑體表面間的輻射換熱計算式：9.2 兩表面封閉系統(tǒng)的輻射換熱角系數(shù)的相對性單位時間內(nèi)從表面1上發(fā)出到達表面2的輻射能：2,11121XAEb單位時間內(nèi)從表面2上發(fā)出到達表面1的輻射能：1 ,22212XAEb,b,b,bb,bbE AXE AXAX (EE )AX (EE ) 121 22 1111222211121222112兩黑體表面間的凈輻

10、射換熱量(單位：W)1. 兩黑體表面間的輻射換熱計算式：bbbbEEEEA XA X 12121211222111上式與電學中的歐姆定律類比：1/ A1 X1,2 （ 1/A2 X2,1 ）為空間輻射熱阻9.2 兩表面封閉系統(tǒng)的輻射換熱,bb,bbAX (EE )AX (EE ) 121121222112黑體輻射換熱的等效網(wǎng)絡：411TEb2, 1422TEb2, 111XA空間輻射熱阻關鍵求取角系數(shù)2.兩個漫灰表面的輻射換熱兩無限大漫灰體平行平板間的多次反射和吸收過程漫灰表面吸收與發(fā)射輻射能的特點有效輻射 有效輻射定義（1）投入輻射G： 單位時間內(nèi)投射到表面的單位面積上的總輻射能(W/m2)

11、。（2）有效輻射J： 單位時間內(nèi)離開表面單位面積的總輻射能，包括：自身輻射能E，以及投入輻射被表面反射的部分1G1(W/m2)2.兩個漫灰表面的輻射換熱11111111)1 (GEGEJb有效輻射自身輻射反射輻射對表面1，單位面積凈輻射換熱量q為:111111111GEGEGJqbqEJb) 11(1JEqbGEqbGJq 有效輻射與輻射傳熱量的關系消去G11111111)1 (GEGEJbqJG灰體表面凈輻射交換熱量：qEJb)11(1)(1JEJEqbb1111111111111A)JE(A)JE(bb 表面輻射熱阻表面輻射勢差)/()JE(qb 111qA EbJA 13. 兩漫灰表面間

12、的輻射換熱 兩漫灰表面構(gòu)成封閉腔體，且T1T2：21 ,2212, 1112212, 1JXAJXAA1 和 A2 的凈輻射熱量：即：)(12, 11212, 1aXAJJ 12 , 1121JXA21 , 2212JXA黑黑體體：12121211222111bbbbEEEEA XA X 同時：)(1111111bAJEb A1 的凈輻射熱量： A2 的凈輻射熱量：)(1222222cAJEb 根據(jù)系統(tǒng)熱平衡：2, 121A3)(12, 11212, 1aXAJJ 11111111bJ AAE22222211bJ AA E*系統(tǒng)發(fā)射率s ： 是考慮由于灰體系統(tǒng)多次吸收與反射對換熱量影響的因子, s 1)EE(XA)(AAX)()EE(Abb,s,bb,212112212112112111111 式中，)11()11(1 121 ,212, 1XXs)(2