傳熱學(xué)第九章-輻射傳熱的計(jì)算課件

第九章輻射傳熱的計(jì)算第九章輻射傳熱的計(jì)算傳熱學(xué)HeatTransfer9-1角系數(shù)的定義、性質(zhì)與計(jì)算即便其它條件一致，兩物體間的輻射換熱量隨表面的相對(duì)位置不同而存在較大的差異。（教材圖9-1）Why角系數(shù)定義：表面1發(fā)出的輻射能落到表面2上的百分?jǐn)?shù)稱為表面1對(duì)表面2的角系數(shù)X1,2“發(fā)出”—包含表面1自身的輻射和反射的輻射；“落到”—不管表面2是否能夠吸收；角系數(shù)概念的假定：①所研究的表面為漫射體②表面的輻射熱流均勻角系數(shù)的基本屬性：純幾何因子，與表面的溫度和發(fā)射率無(wú)關(guān)。兩黑體表面間的輻射換熱量傳熱學(xué)HeatTransfer9-1角系數(shù)的定義、性質(zhì)傳熱學(xué)HeatTransfer9-1角系數(shù)的定義、性質(zhì)與計(jì)算角系數(shù)的性質(zhì)相對(duì)性完整性可加性角系數(shù)的相對(duì)性：兩個(gè)表面間的角系數(shù)X1,2和X2,1不是獨(dú)立存在的。（推導(dǎo)基于立體角概念和蘭貝特定律）兩個(gè)有限大小表面1傳熱學(xué)HeatTransfer9-1角系數(shù)的定義、性質(zhì)傳熱學(xué)HeatTransfer9-1角系數(shù)的定義、性質(zhì)與計(jì)算角系數(shù)的性質(zhì)相對(duì)性完整性可加性角系數(shù)的完整性：由N個(gè)表面組成的封閉腔，有2表面1為非凹表面（凸面或平面）：X1,1＝0表面1為凹表面：X1,1≠0發(fā)射面1自身凹表面非凹表面?zhèn)鳠釋W(xué)HeatTransfer9-1角系數(shù)的定義、性質(zhì)傳熱學(xué)HeatTransfer9-1角系數(shù)的定義、性質(zhì)與計(jì)算角系數(shù)的性質(zhì)相對(duì)性完整性可加性角系數(shù)的可加性：設(shè)表面2由2A和2B兩部分組成，有3表面1到表面2表面2到表面1注意：角系數(shù)的直接相加僅適合角系數(shù)符號(hào)第二角碼傳熱學(xué)HeatTransfer9-1角系數(shù)的定義、性質(zhì)傳熱學(xué)HeatTransfer9-1角系數(shù)的定義、性質(zhì)與計(jì)算角系數(shù)的計(jì)算直接積分法代數(shù)分析法幾何分析法、蒙特卡羅法…直接積分法：利用角系數(shù)的基本定義通過(guò)多重積分求解。1四重積分太復(fù)雜？常見(jiàn)幾何結(jié)構(gòu)角系數(shù)的求解查圖表（教材圖9-7～9-9、表9-1、9-2）傳熱學(xué)HeatTransfer9-1角系數(shù)的定義、性質(zhì)傳熱學(xué)HeatTransfer9-1角系數(shù)的定義、性質(zhì)與計(jì)算角系數(shù)的計(jì)算直接積分法代數(shù)分析法幾何分析法、蒙特卡羅法…代數(shù)分析法：利用角系數(shù)的性質(zhì)，通過(guò)求解代數(shù)方程組獲得角系數(shù)的方法。2三個(gè)非凹表面組成的封閉系統(tǒng)（忽略垂直方向兩端輻射能的逸出）相對(duì)性完整性傳熱學(xué)HeatTransfer9-1角系數(shù)的定義、性質(zhì)傳熱學(xué)HeatTransfer9-1角系數(shù)的定義、性質(zhì)與計(jì)算角系數(shù)的計(jì)算直接積分法代數(shù)分析法幾何分析法、蒙特卡羅法…代數(shù)分析法：利用角系數(shù)的性質(zhì)，通過(guò)求解代數(shù)方程組獲得角系數(shù)的方法。2三個(gè)非凹表面組成的封閉系統(tǒng)（忽略垂直方向兩端輻射能的逸出）以線段長(zhǎng)度表示傳熱學(xué)HeatTransfer9-1角系數(shù)的定義、性質(zhì)傳熱學(xué)HeatTransfer9-1角系數(shù)的定義、性質(zhì)與計(jì)算角系數(shù)的計(jì)算直接積分法代數(shù)分析法幾何分析法、蒙特卡羅法…代數(shù)分析法：利用角系數(shù)的性質(zhì)，通過(guò)求解代數(shù)方程組獲得角系數(shù)的方法。2兩個(gè)非凹表面及假想面組成的封閉系統(tǒng)（垂直方向無(wú)限長(zhǎng)）完整性傳熱學(xué)HeatTransfer9-1角系數(shù)的定義、性質(zhì)傳熱學(xué)HeatTransfer9-1角系數(shù)的定義、性質(zhì)與計(jì)算角系數(shù)的計(jì)算直接積分法代數(shù)分析法幾何分析法、蒙特卡羅法…代數(shù)分析法：利用角系數(shù)的性質(zhì)，通過(guò)求解代數(shù)方程組獲得角系數(shù)的方法。2兩個(gè)非凹表面及假想面組成的封閉系統(tǒng)（垂直方向無(wú)限長(zhǎng)）又稱為交叉線法。交叉線和不交叉線均指虛擬的輔助線。傳熱學(xué)HeatTransfer9-1角系數(shù)的定義、性質(zhì)傳熱學(xué)HeatTransfer9-2被透熱介質(zhì)隔開(kāi)的兩固體表面間的輻射換熱透熱介質(zhì)：不參與熱輻射的介質(zhì)。封閉腔模型：計(jì)算任一表面與外界的輻射換熱，必須計(jì)及空間各方向輻射能的發(fā)射和接收。因此，計(jì)算對(duì)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(shí)的，亦可部分虛擬的。 封閉腔模型適用于黑體和漫灰表面間輻射換熱計(jì)算。被透熱介質(zhì)隔開(kāi)的兩固體表面間的輻射換熱兩黑體表面兩漫灰表面導(dǎo)熱、對(duì)流傳熱輻射傳熱直接接觸的物體物體表面間被真空或者透熱介質(zhì)隔開(kāi)吸收比小于1，且存在對(duì)投入輻射的反射傳熱學(xué)HeatTransfer9-2被透熱介質(zhì)隔開(kāi)的兩傳熱學(xué)HeatTransfer9-2被透熱介質(zhì)隔開(kāi)的兩固體表面間的輻射換熱1被透熱介質(zhì)隔開(kāi)的兩黑體表面間的輻射換熱角系數(shù)的相對(duì)性黑體輻射換熱的等效網(wǎng)絡(luò)空間輻射熱阻黑體輻射換熱計(jì)算的關(guān)鍵在于角系數(shù)X1,2的求取空間輻射熱阻的理解？傳熱學(xué)HeatTransfer9-2被透熱介質(zhì)隔開(kāi)的兩傳熱學(xué)HeatTransfer9-2被透熱介質(zhì)隔開(kāi)的兩固體表面間的輻射換熱2被透熱介質(zhì)隔開(kāi)的兩漫灰表面間的輻射換熱漫灰表面吸收與發(fā)射輻射能的特點(diǎn)有效輻射J的概念投入輻射G：?jiǎn)挝粫r(shí)間投射到單位表面積的總輻射能。有效輻射J：?jiǎn)挝粫r(shí)間離開(kāi)單位表面積的總輻射能，包括自身輻射和反射輻射。漫灰表面1外能感受到的表面輻射即有效輻射J1，計(jì)算漫灰表面的輻射換熱采用有效輻射的概念，而非黑體的輻射力Eb。有效輻射自身輻射反射輻射固體、液體的穿透比＝0，傳熱學(xué)HeatTransfer9-2被透熱介質(zhì)隔開(kāi)的兩傳熱學(xué)HeatTransfer9-2被透熱介質(zhì)隔開(kāi)的兩固體表面間的輻射換熱2被透熱介質(zhì)隔開(kāi)的兩漫灰表面間的輻射換熱漫灰表面間輻射換熱量q與有效輻射J的關(guān)聯(lián)：關(guān)聯(lián)式具有普遍性，注意是針對(duì)同一表面，且以向外的凈放熱為正值。實(shí)際物體表面的有效輻射J總是小于相同表面溫度的黑體輻射力Eb嗎？傳熱學(xué)HeatTransfer9-2被透熱介質(zhì)隔開(kāi)的兩傳熱學(xué)HeatTransfer9-2被透熱介質(zhì)隔開(kāi)的兩固體表面間的輻射換熱2被透熱介質(zhì)隔開(kāi)的兩漫灰表面間的輻射換熱兩黑體表面兩漫灰表面系統(tǒng)發(fā)射率εs：

是考慮由于灰體系統(tǒng)多次吸收與反射對(duì)換熱量影響的因子。εs<1傳熱學(xué)HeatTransfer9-2被透熱介質(zhì)隔開(kāi)的兩傳熱學(xué)HeatTransfer9-2被透熱介質(zhì)隔開(kāi)的兩固體表面間的輻射換熱2被透熱介質(zhì)隔開(kāi)的兩漫灰表面間的輻射換熱兩漫灰面輻射換熱的等效網(wǎng)絡(luò)空間輻射熱阻表面輻射熱阻表面輻射熱阻兩漫灰面輻射換熱的等效網(wǎng)絡(luò)相比于兩黑體表面多出兩個(gè)表面輻射熱阻兩類熱阻的理解？傳熱學(xué)HeatTransfer9-2被透熱介質(zhì)隔開(kāi)的兩傳熱學(xué)HeatTransfer9-2被透熱介質(zhì)隔開(kāi)的兩固體表面間的輻射換熱2被透熱介質(zhì)隔開(kāi)的兩漫灰表面間的輻射換熱表面1為非凹面，X1,1＝0

X1,2＝1簡(jiǎn)化1X1,2＝1，表面積A1≈A2簡(jiǎn)化2X1,2＝1，表面積A1<<A2簡(jiǎn)化3A1A2傳熱學(xué)HeatTransfer9-2被透熱介質(zhì)隔開(kāi)的兩傳熱學(xué)HeatTransfer9-3多表面系統(tǒng)輻射換熱的計(jì)算對(duì)于多表面系統(tǒng)，采用網(wǎng)絡(luò)法計(jì)算每一個(gè)表面的凈輻射換熱量。網(wǎng)絡(luò)法：將輻射熱阻比擬成等效的電阻，通過(guò)等效的網(wǎng)絡(luò)圖求解輻射換熱。

用電路來(lái)比擬輻射熱流的傳遞路徑，電路中的電流、電位差和電阻對(duì)應(yīng)輻射換熱中的熱流、熱勢(shì)差與熱阻。Eb～源熱勢(shì)J～節(jié)點(diǎn)熱勢(shì)Ф～熱流每一個(gè)輻射表面對(duì)應(yīng)一個(gè)表面輻射熱阻，黑體的表面輻射熱阻為零每一對(duì)輻射表面對(duì)應(yīng)一個(gè)空間輻射熱阻。表面輻射熱阻對(duì)應(yīng)熱勢(shì)差Eb-J空間輻射熱阻對(duì)應(yīng)熱勢(shì)差J1-J2傳熱學(xué)HeatTransfer9-3多表面系統(tǒng)輻射換熱傳熱學(xué)HeatTransfer9-3多表面系統(tǒng)輻射換熱的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)法求解輻射換熱的步驟：分析封閉系統(tǒng)的表面組成，以及各個(gè)表面的性質(zhì)（黑體、漫灰、絕熱）；畫出等效網(wǎng)絡(luò)圖；2.1每個(gè)輻射表面（非絕熱的）畫出相應(yīng)的電路（源熱勢(shì)、節(jié)點(diǎn)熱勢(shì)、表面輻射熱阻）；2.2各表面間由節(jié)點(diǎn)熱勢(shì)（即有效輻射J）通過(guò)空間輻射熱阻進(jìn)行連接。三個(gè)漫灰面組成的封閉空腔傳熱學(xué)HeatTransfer9-3多表面系統(tǒng)輻射換熱傳熱學(xué)HeatTransfer9-3多表面系統(tǒng)輻射換熱的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)法求解輻射換熱的步驟：3.根據(jù)等效網(wǎng)絡(luò)圖，利用電路基爾霍夫定律（所有流向節(jié)點(diǎn)J的熱流量代數(shù)和＝0），列出節(jié)點(diǎn)的電流（熱流量）方程；傳熱學(xué)HeatTransfer9-3多表面系統(tǒng)輻射換熱傳熱學(xué)HeatTransfer9-3多表面系統(tǒng)輻射換熱的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)法求解輻射換熱的步驟：求解節(jié)點(diǎn)的電流（熱流量）方程，得到節(jié)點(diǎn)熱勢(shì)（即有效輻射J），每個(gè)表面對(duì)應(yīng)一個(gè)J，N個(gè)表面得到J1～JN；計(jì)算每個(gè)表面的凈輻射換熱量Фi，以及兩個(gè)表面間的輻射換熱量Фij。任一表面的凈輻射換熱量：兩表面間的輻射換熱量：傳熱學(xué)HeatTransfer9-3多表面系統(tǒng)輻射換熱傳熱學(xué)HeatTransfer9-3多表面系統(tǒng)輻射換熱的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)法求解輻射換熱的兩個(gè)特例：一個(gè)表面為黑體或面積無(wú)窮大，對(duì)應(yīng)的表面輻射熱阻＝0，Ji＝Ebi1兩個(gè)漫灰面+一個(gè)黑體面組成的封閉空腔減少一個(gè)節(jié)點(diǎn)方程傳熱學(xué)HeatTransfer9-3多表面系統(tǒng)輻射換熱傳熱學(xué)HeatTransfer9-3多表面系統(tǒng)輻射換熱的計(jì)算網(wǎng)絡(luò)法求解輻射換熱的兩個(gè)特例：一個(gè)表面絕熱，凈輻射換熱量q＝0（即為重輻射面Ji＝Ebi）2兩個(gè)漫灰面+一個(gè)重輻射面組成的封閉空腔重輻射面：表面溫度未定而凈輻射換熱量為零的表面。與特例1的區(qū)別在于J3并不是源電勢(shì)，表面溫度T3未知。傳熱學(xué)HeatTransfer9-3多表面系統(tǒng)輻射換熱傳熱學(xué)HeatTransfer9-3多表面系統(tǒng)輻射換熱的計(jì)算上述輻射換熱計(jì)算的前提條件：透熱介質(zhì)+封閉腔模型；穩(wěn)態(tài)換熱；輻射表面為黑體或漫灰表面；輻射表面的輻射熱流均勻（對(duì)于漫灰面，即有效輻射J均勻）；不考慮對(duì)流換熱本書介紹的輻射換熱計(jì)算必須滿足上述前提。兩點(diǎn)補(bǔ)充：適合計(jì)算機(jī)求解的有效輻射顯式形式；計(jì)算表面的劃分應(yīng)該以熱邊界條件為依據(jù)，不能拘泥于幾何邊界。傳熱學(xué)HeatTransfer9-3多表面系統(tǒng)輻射換熱傳熱學(xué)HeatTransfer9-4氣體輻射的特點(diǎn)及計(jì)算氣體輻射透熱氣體：無(wú)發(fā)射和吸收輻射能能力的氣體空氣、H2、O2、N2等吸收性氣體：有發(fā)射和吸收輻射能力的氣體O3、H2O、CO2、SO2、CO

等YN氣體輻射的特點(diǎn)（CO2、H2O）：氣體輻射對(duì)波長(zhǎng)有選擇性，CO2、H2O各有三個(gè)位于紅外線光帶的區(qū)間具有輻射和吸收的本領(lǐng)。氣體一般不能做灰體假設(shè)；氣體輻射在整個(gè)容積中進(jìn)行，與氣體的在容器中的分子數(shù)目和容器的形狀和容積有關(guān)。傳熱學(xué)HeatTransfer9-4氣體輻射的特點(diǎn)及計(jì)傳熱學(xué)HeatTransfer氣體光譜輻射強(qiáng)度的削弱規(guī)律－貝爾定律輻射能通過(guò)吸收性氣體層，不斷被氣體吸收而削弱。削弱的程度取決于輻射強(qiáng)度和氣體分子數(shù)目。貝爾定律：光譜輻射強(qiáng)度呈指數(shù)規(guī)律衰減。氣體的光譜穿透比氣體的光譜反射比氣體的光譜發(fā)射率9-4氣體輻射的特點(diǎn)及計(jì)算xdxs傳熱學(xué)HeatTransfer氣體光譜輻射強(qiáng)度的削弱規(guī)律傳熱學(xué)HeatTransfer氣體發(fā)射率與平均線程長(zhǎng)氣體發(fā)射率：氣體輻射力：氣體輻射力與射線行程長(zhǎng)度有關(guān)如何評(píng)價(jià)？平均線程長(zhǎng)s將形狀各異的氣體容積輻射力＝當(dāng)量半球內(nèi)相同氣體對(duì)球心的輻射力平均射線行程長(zhǎng)＝當(dāng)量半球半徑平均線程長(zhǎng)s依據(jù)氣體容積形狀查表9-3s＝3.6×V/A氣體的分壓力9-4氣體輻射的特點(diǎn)及計(jì)算傳熱學(xué)HeatTransfer氣體發(fā)射率與平均線程長(zhǎng)氣體傳熱學(xué)HeatTransfer氣體輻射的計(jì)算（發(fā)射）氣體發(fā)射率：氣體輻射力：氣體發(fā)射率的計(jì)算H2OCO2H2O+CO2查圖9-31，9-32查圖9-33，9-34查圖9-31～9-35上標(biāo)*表示總壓力105Pa，水蒸氣或CO2分壓力為零的理想情況。9-4氣體輻射的特點(diǎn)及計(jì)算傳熱學(xué)HeatTransfer氣體輻射的計(jì)算（發(fā)射）氣體傳熱學(xué)HeatTransfer氣體輻射的計(jì)算（吸收）由于氣體輻射對(duì)波長(zhǎng)具有選擇性，不能視為灰體氣體吸收比的計(jì)算H2O+CO29-4氣體輻射的特點(diǎn)及計(jì)算傳熱學(xué)HeatTransfer氣體輻射的計(jì)算（吸收）由于傳熱學(xué)HeatTransfer氣體輻射換熱量的計(jì)算氣體與黑體壁面的輻射換熱熱流＝氣體的自身輻射－氣體的吸收輻射9-4氣體輻射的特點(diǎn)及計(jì)算傳熱學(xué)HeatTransfer氣體輻射換熱量的計(jì)算氣體與傳熱學(xué)HeatTransfer9-5輻射傳熱的控制（強(qiáng)化與削弱）增加輻射表面積A增加角系數(shù)X1,2圖9-39：將高溫部件置于相對(duì)冷表面角系數(shù)較大的位置?？刂瓶臻g輻射熱阻強(qiáng)化控制表面輻射熱阻強(qiáng)化增加輻射表面積A增加換熱表面的發(fā)射率εA2>A1，所以增加表面積為A1的物體的發(fā)射率ε1更加有效。（減小串聯(lián)環(huán)節(jié)的最大熱阻項(xiàng)）A1＝1，A2＝10

ε1＝ε2＝0.51.1ε1＝0.5ε2＝0.81.025ε1＝0.8ε2＝0.50.35傳熱學(xué)HeatTransfer9-5輻射傳熱的控制（強(qiáng)傳熱學(xué)HeatTransfer9-5輻射傳熱的控制（強(qiáng)化與削弱）控制表面輻射熱阻削弱減小換熱表面的發(fā)射率ε工廠蒸汽管道外敷鋁箔2.兩輻射表面間安插遮熱板實(shí)際物體對(duì)太陽(yáng)能的吸收強(qiáng)化太陽(yáng)能集熱器的光譜選擇性涂層削弱變壓器油漆成淺色（表8-4）傳熱學(xué)HeatTransfer9-5輻射傳熱的控制（強(qiáng)傳熱學(xué)HeatTransfer遮熱板削弱輻射傳熱：不加板加板增加一層遮熱板，相當(dāng)于增加兩個(gè)表面輻射熱阻，以及一個(gè)空間輻射熱阻。（習(xí)題：9-24）9-5輻射傳熱的控制（強(qiáng)化與削弱）減小一半！加一層遮熱板后的等效網(wǎng)絡(luò)圖？增加n層遮熱板：遮熱板的工程應(yīng)用：汽輪機(jī)高壓、中壓缸連接管；低溫容器；輸送蒸汽的隔熱油管；遮熱罩抽氣式熱電偶。傳熱學(xué)HeatTransfer遮熱板削弱輻射傳熱：不加板傳熱學(xué)He