輻射傳熱的計算

1、第九章 輻射傳熱的計算本章主要內(nèi)容:9-1 輻射傳熱的角系數(shù)9-2 兩表面封閉系統(tǒng)的輻射傳熱9-3 多表面系統(tǒng)的輻射傳熱9-4 氣體輻射的特點(diǎn)及計算9-5 輻射傳熱的控制(強(qiáng)化與削弱)本章要點(diǎn)：1. 著重掌握角系數(shù)以及輻射換熱有關(guān)的基本概念 2. 著重掌握輻射換熱的相關(guān)分析與計算本章難點(diǎn)：輻射換熱的相關(guān)分析與計算19-1 輻射傳熱的角系數(shù)一、定義1.兩個假定：1）所研究的表面是漫射的；2）在所研究表面的不同地點(diǎn)上向外發(fā)射的輻射熱流密度時均勻的。 * 兩個表面之間的輻射換熱量與兩個表面之間的相對位置有很大關(guān)系圖1示出了兩個等溫表面間的兩種極端布置情況：圖a中兩表間無限接近，相互間的換熱量最大；圖

2、b中兩表面位于同一表面上，相互間的輻射換熱量為零。由圖可以看出，兩個表面間的相對位置不同時，一個表面發(fā)出而落到另一個表面上的 輻射能的百分?jǐn)?shù)隨之而異，從而 影響到換熱量。2.定義：我們把表面1發(fā)出的輻射能 中落到表面2上的百分?jǐn)?shù) 稱為表面1對表面2的角系數(shù)， 記為 。同理也可以定義表面2 對表面l的角系數(shù)。圖1 表面相對位置的影響2二、性質(zhì)角系數(shù)有以下一些性質(zhì)： 1. 角系數(shù)的相對性：兩個有限大小表面A1,A2之間角系數(shù)的相對性可以 通過分析圖2所示兩黑體表面間的輻射換熱而獲得。兩表面間的換熱量 記為 ，則有 當(dāng)T1=T2時，凈輻射換熱量為零，則有 這是兩有限大小表面間角系數(shù)的相對性的表達(dá)式。

3、 圖2 兩黑體表面間的輻射換熱32. 角系數(shù)的完整性： 對于由幾個表面組成的封閉系統(tǒng)(見圖3)，據(jù)能量守衡原理，從任何 一 個表面發(fā)射出的輻射能必全部落到封閉系統(tǒng)的各表面上。因此，任何 一個表面對封閉腔各表面的角系數(shù)之間存在下列關(guān)系（以表面1為例示 出）： 此式表達(dá)的關(guān)系稱為角系數(shù)的完整性。圖3 角系數(shù)的完整性43. 角系數(shù)的可加性： 考慮如圖4所示表面1對表面2的角系數(shù)。由于從表面1上發(fā)出而落到表 面2上的總能量，等于落到表面2上各部分的輻射能之和，于是有： 故有 由于從表面2發(fā)出落到表面1上的總 輻射能，等于從表面2的各個組成部 分發(fā)出而落到表面1上的輻射能之和。 于是有： 圖4 說明角系

4、數(shù)可加性的圖示以上式表達(dá)的關(guān)系稱為角系數(shù)的可加性。5三、計算求解角系數(shù)的方法有直接積分法、代數(shù)分析法及幾何分析法等。 1.直接積分法：按角系數(shù)的基本定義通過求解多重 積分而獲得角系數(shù)的方法。對圖5所示的兩個有限 大小的面積A1、A2，有 這是求解任意兩表面間角系數(shù)的積分表達(dá)式。圖5 直接積分法圖示62.代數(shù)分析法(2)：利用角系數(shù)的相對性、完整性及可加性，通過求解代數(shù)方程而獲得角系數(shù)的方法。下面應(yīng)用代數(shù)分析法來確定圖6所示的表面A1和A2之間的角系數(shù)。假定在垂直于紙面的方向上表面的長度是無限延伸的。作輔助線ac和bd，它們代表在垂直于紙面的方向上無限延伸的兩個表面。可以認(rèn)為，它們連同表面A1、

5、A2構(gòu)成一個封閉系統(tǒng)。在此系統(tǒng)里，根據(jù)角系數(shù)的完整性，表面A1對A2的角系數(shù)為 我們可以歸納出如下的一般關(guān)系： 對于在一個方向上長度無限延伸的多個 表面組成的系統(tǒng)，該式為任意兩個表面 之間的角系數(shù)的計算式，因此該方法又 稱為交叉線法。圖6 兩個表面間的角系數(shù)7一、兩黑體表面間的輻射傳熱二、灰體表面的輻射傳熱和有效輻射投入輻射G：單位時間內(nèi)投射到表面的單位面積上的總輻射能為投入輻射。有效輻射J：單位時間內(nèi)離開表面單位面積的總輻射能為該表面的有效輻射。有效輻射J1的表達(dá)式：J1= E1+ 1G1= 1Eb1+ (1-1)G1有效輻射J=反射輻射(G )+本身輻射(E)三、兩灰體表面間的輻射傳熱空間

6、輻射熱阻 表面輻射熱阻9-2 兩表面封閉系統(tǒng)的輻射傳熱8四、幾種特例情況1. 兩物體均為黑體 2. A1/A2 相差很小,A1/A2 1 (兩無限大平板）3. A1/A2 0,A2A1 (車間里的蒸汽管道） 99-3 多表面系統(tǒng)的輻射傳熱1. 二灰表面間的輻射換熱102. 三灰表面間的輻射換熱應(yīng)用電學(xué)中的基爾霍夫定律，可列出節(jié)點(diǎn)的熱流方程：11例題1 某房間吊裝一水銀溫度計讀數(shù)為15，已知溫度計頭部發(fā)射率（黑度）為0.9，頭部與室內(nèi)空氣間的對流換熱系數(shù)為20，墻表面溫度為10，求該溫度計的測量誤差。例題2 兩平行放置的平板表面發(fā)射率均為0.6，其板間距遠(yuǎn)小于板的寬度和高度，且兩表面溫度分別為t

7、1=427度， t2=27度。求（1）板1的自身輻射； （2）板1的投入輻射； （3）板1的反射輻射； （4）板1的有效輻射； （5）板2的自身輻射； （6）板1、板2間的輻射換熱量。12 已知 ， ， ， 求測溫誤差？解：139-4 輻射傳熱的控制(強(qiáng)化與削弱)強(qiáng)化輻射換熱的主要途徑有兩種：增加發(fā)射率；增加角系數(shù)。削弱輻射換熱的主要途徑有三種： 降低發(fā)射率； 降低角系數(shù)； 加入遮熱板。 14一、輻射換熱的強(qiáng)化 在一定溫度下要強(qiáng)化兩表面間的輻射換熱，可以采取增加換熱表面發(fā)射率以及改變兩表面的布置以增加角系數(shù)的方法。采用改變表面發(fā)射率的方法時應(yīng)注意首先增加對換熱影響最大的那一個表面的發(fā)射率。以圖

8、10所示的空腔與內(nèi)包物體間輻射換熱問題為例，由其換熱量的計算式可見，增加內(nèi)包物體的發(fā)射率1比增加空腔表面發(fā)射率2更有效(極限情況下當(dāng)A1/ A2 0時， 2已對換熱量沒有影響)。圖10 15二、輻射換熱的削弱 為了削弱兩物體表面間的輻射換熱，可以采用減少表面發(fā)射率及在兩輻射表面之間安插遮熱板的方法。 人造地球衛(wèi)星為了減少迎陽面(直接受到陽光照射的表面)與背陽面之間的溫差，采用對太陽能吸收比小的材料作表面涂層； 置于室外的發(fā)熱設(shè)備(如變壓器)，為了防止夏天溫升過高而用淺色油漆作為涂層。 這些都是用減少發(fā)射率(吸收比)的方法來削弱換熱的例子。 在實際工程應(yīng)用中，多采用遮熱板來減少輻射換熱的方法。1

9、6 所謂遮熱板，是指插入兩個輻射換熱表面之間以削弱輻射換熱的薄板。如圖11所示假設(shè) 只考慮單位面積無板3時，有板3時，對穩(wěn)態(tài)有： q1,2=q1,3=q3,2；其中q1,3=B(T14-T34) q3,2=B(T34-T24);而q1,3+q3,2=B(T14-T34)+B(T34-T24)=B(T14-T24)= q1,2 所以 q1,2=q1,3=q3,2=1/2 q1,2 熱輻射削弱了 。圖11 遮熱板在兩灰體表面間插入與灰體黑度相等的薄板，其輻射換熱減少一半。17三、遮熱板的應(yīng)用 遮熱板在工程技術(shù)上應(yīng)用甚廣，下面是4個應(yīng)用實例。（1）汽輪機(jī)中用于減少內(nèi)、外套管間輻射換熱。（2）遮熱板應(yīng)用于儲存液態(tài)氣體的低溫容器。（3）遮熱板用于越級隔熱油管。（4）遮熱板用于提高溫度測量的準(zhǔn)確度。例: 在黑度為0.8的兩個平行面之間插入一塊黑度 為0.05的拋光鋁片。求其輻射換熱量是未插 入遮熱板的多少分之一。18解：19 第八、九章小結(jié)： 1.熱輻射定義與本質(zhì)；吸收比、反射比、穿透比基本概念： 2. 黑體、白體、