传热学第十章辐射换热计算.ppt
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1、1、黑体间的辐射换热及角系数、黑体间的辐射换热及角系数 2、灰体间的辐射换热、灰体间的辐射换热 3、气体辐射简介、气体辐射简介 第十章第十章 辐射换热的计算辐射换热的计算 1 11、黑体间的辐射换热及角系数、黑体间的辐射换热及角系数uu任意放置的两黑体间的辐射换热任意放置的两黑体间的辐射换热任意放置的两黑体间的辐射换热任意放置的两黑体间的辐射换热 uu角系数的一般表达式和线算图角系数的一般表达式和线算图角系数的一般表达式和线算图角系数的一般表达式和线算图 uu角系数的性质角系数的性质角系数的性质角系数的性质 uu代数分析法求角系数示例代数分析法求角系数示例代数分析法求角系数示例代数分析法求角系
2、数示例 2 2角角系系数数:表表面面1发发出出的的辐辐射射能能落落到到表表面面2上上的的份份额额称称为为表表面面1对对表表面面2的的角角系系数数,记为记为X1,2。两黑体表面的辐射换热:(不存在重复反射)两黑体表面的辐射换热:(不存在重复反射)角系数定义角系数定义 1)任意放置的两黑体间的辐射换热)任意放置的两黑体间的辐射换热1.与物体温度无关,对于表面性与物体温度无关,对于表面性质均匀的漫射表面,它是一个质均匀的漫射表面,它是一个纯几何因子。纯几何因子。3 3黑体间辐射换热计算关键参数黑体间辐射换热计算关键参数角系数角系数 空间辐射热阻空间辐射热阻结果只与几何因素有关,所以对于非黑体和非热结
3、果只与几何因素有关,所以对于非黑体和非热平衡也是适用的。平衡也是适用的。热平衡时:热平衡时:4 4假假设设:物物体体为为漫漫射射(漫漫辐辐射射,漫漫反反射射)表表面面服服从从兰兰贝特定律;表面性质(温度、黑度、吸收比)均匀贝特定律;表面性质(温度、黑度、吸收比)均匀。角系数计算角系数计算 2)角系数的一般表达式和线算图)角系数的一般表达式和线算图5 5微元表面微元表面1 1发出的辐射能落到发出的辐射能落到微元表面微元表面2 2上的能量为:上的能量为:微元表面微元表面1 1发出的辐射能落到发出的辐射能落到表面表面2 2上的能量为:上的能量为:6 6角系数:角系数:这就是角系数计算的一般表达式,对
4、于规则形状和位置,可这就是角系数计算的一般表达式,对于规则形状和位置,可借助于线算图(教材图借助于线算图(教材图9-7,8,9)进行计算。部分二维和三)进行计算。部分二维和三维结构角系数计算式见教材表维结构角系数计算式见教材表9-19-1,2 2。表面表面1 1发出的辐射能落到发出的辐射能落到表面表面2 2上的能量为:上的能量为:7 7相对性:相对性:完整性:对封闭系统的完整性:对封闭系统的n个表面,个表面,注:对于凹形辐射面,注:对于凹形辐射面,Xi,i0可加性可加性:3)角系数的性质)角系数的性质8 8对于三个非凹面组成的封闭空间,在垂直纸面方向足对于三个非凹面组成的封闭空间,在垂直纸面方
5、向足够长,可忽略端部辐射,角系数之间存在如下关系够长,可忽略端部辐射,角系数之间存在如下关系:三个非凹面组成的封闭空间三个非凹面组成的封闭空间,其它类推其它类推4)代数分析法求角系数示例)代数分析法求角系数示例9 9两个不相交的凸面两个不相交的凸面abab和和cdcd之间的角系数之间的角系数 对于假想的对于假想的abc空间,应用上述空间,应用上述角系数公式:角系数公式:两个不相交的凸面之间的角系数两个不相交的凸面之间的角系数同理,对于假想的同理,对于假想的abd空间,空间,有角系数:有角系数:根据角系数的完整性可得:根据角系数的完整性可得:10102、灰体间的辐射换热、灰体间的辐射换热uu灰体
6、表面净换热计算灰体表面净换热计算灰体表面净换热计算灰体表面净换热计算 uu灰体辐射换热网络灰体辐射换热网络灰体辐射换热网络灰体辐射换热网络 1111投入辐射:投入辐射:单位时间投射到表面单位时间投射到表面单位面积上的辐射能,记为单位面积上的辐射能,记为G。有效辐射:有效辐射:单位时间、单位面积单位时间、单位面积离开表面的辐射能,记为离开表面的辐射能,记为J,其值,其值为本身辐射和反射辐射之和为本身辐射和反射辐射之和。灰体表面的辐射热流灰体表面的辐射热流1)灰体表面净换热计算)灰体表面净换热计算2、灰体间的辐射换热、灰体间的辐射换热1212 由灰体表面特性可得投入辐射表达式:由灰体表面特性可得投
7、入辐射表达式:灰体表面净换热:灰体表面净换热:表面辐射热阻表面辐射热阻1313以上分析表明:以上分析表明:物体间的辐射换热量与辐射力之差成正比,物体间的辐射换热量与辐射力之差成正比,与辐射热阻成反比。辐射热阻分为两大类:一类是辐射角与辐射热阻成反比。辐射热阻分为两大类:一类是辐射角系数起主要作用的空间辐射热阻,一类是表面黑度起主要系数起主要作用的空间辐射热阻,一类是表面黑度起主要作用的表面辐射热阻。因此,各种形式的辐射换热都可以作用的表面辐射热阻。因此,各种形式的辐射换热都可以用类似于电路网络的相应辐射换热网络描述和计算。用类似于电路网络的相应辐射换热网络描述和计算。辐射换热等效网络的特点:辐
8、射换热等效网络的特点:表面辐射热阻是各表面同温表面辐射热阻是各表面同温度下黑体辐射力与有效辐射间的热阻,反映物体表面特度下黑体辐射力与有效辐射间的热阻,反映物体表面特性对传热的影响,空间辐射热阻是各有效辐射之间的热性对传热的影响,空间辐射热阻是各有效辐射之间的热阻,反映各表面间空间关系对传热的影响。阻,反映各表面间空间关系对传热的影响。2)灰体辐射换热网络)灰体辐射换热网络1414两个灰体间的辐射换热(不存在第三个表面)两个灰体间的辐射换热(不存在第三个表面):等效网络:等效网络:辐射换热量:辐射换热量:1515式中:系统黑度式中:系统黑度内包物体(内内包物体(内1外外2)内包小物体内包小物体
9、平行大平壁平行大平壁(计算时无需知道大计算时无需知道大物体的面积和黑度物体的面积和黑度)1616遮热板遮热板:为为降降低低辐辐射射换换热热,常常用用遮遮热热板板结结构构,即即在在两两辐辐射射换换热热表表面面间间插插入入第第三三快快板板,应应用用上上述述平平行行大大平平壁壁公公式可得遮热板结构的系统黑度为:式可得遮热板结构的系统黑度为:1717多个灰体间的辐射换热(封闭空间)多个灰体间的辐射换热(封闭空间)解题思路:解题思路:a.a.求出网络节点辐射力、表面热阻、空间热阻求出网络节点辐射力、表面热阻、空间热阻b.b.写出中间节点方程写出中间节点方程方程组;方程组;c.c.解方程组求得各点有效辐射
10、解方程组求得各点有效辐射J J i i d.d.各表面辐射热计算各表面辐射热计算e.e.各表面间辐射换热计算各表面间辐射换热计算1818如:三表面间的等效网络如:三表面间的等效网络节点方程:(流向节点的热节点方程:(流向节点的热流代数和为零)流代数和为零)如如J3点:点:其它类推。其它类推。1919具有重辐射面的封闭腔辐射换热(与串并联电路解具有重辐射面的封闭腔辐射换热(与串并联电路解法类似)法类似)2020思考:某办公室由中央空调系统维持室内恒温,人思考:某办公室由中央空调系统维持室内恒温,人们注意到尽管冬夏两季室内都是们注意到尽管冬夏两季室内都是20,但感觉却,但感觉却不同。(东南大学不同
11、。(东南大学2000年考研题)年考研题)答:冬季和夏季的最大区别是室外温度的不同。夏答:冬季和夏季的最大区别是室外温度的不同。夏季室外温度比室内高,而冬季室外气温比室内低,季室外温度比室内高,而冬季室外气温比室内低,因此冬季和夏季因此冬季和夏季墙壁内表面温度墙壁内表面温度不同,夏季高而不同,夏季高而冬季低。尽管冬夏两季室内空气温度都是冬季低。尽管冬夏两季室内空气温度都是20,但冬季人体与墙壁的辐射散热量比夏季高得多。但冬季人体与墙壁的辐射散热量比夏季高得多。21211 1)气体辐射性质)气体辐射性质:对称双原子气体(对称双原子气体(H2、O2、N2等)等)热辐射的热辐射的透明体(不辐射,不吸收
12、)透明体(不辐射,不吸收)不对称双原子及多原子气体(不对称双原子及多原子气体(H2O、CO2等)等)具有吸收和辐射的本领。具有吸收和辐射的本领。2 2)气体辐射的特点)气体辐射的特点:选择性:气体在某些波长段(光带)有吸收和辐射选择性:气体在某些波长段(光带)有吸收和辐射能力,而在光带之外为热辐射的透明体,如图能力,而在光带之外为热辐射的透明体,如图9-27。(气体不是灰体。(气体不是灰体)在整个容积中进行。在整个容积中进行。3、气体辐射简介、气体辐射简介2222概念汇总概念汇总:1.1.角系数:表面角系数:表面1 1发出的辐射能落到表面发出的辐射能落到表面2 2上的份额上的份额称为表面称为表
13、面1 1对表面对表面2 2的角系数。记为:的角系数。记为:X1,2。2.2.空间辐射热阻:空间辐射热阻:3.3.对于性质均匀且服从兰贝特定律的表面,其角系对于性质均匀且服从兰贝特定律的表面,其角系数是纯几何因子。数是纯几何因子。4.4.角系数的相对性角系数的相对性:A1X1,2=A2X2,15.5.角系数的完整性:角系数的完整性:(对于封闭系统的(对于封闭系统的n个表面)个表面)6.6.角系数的可加性:角系数的可加性:X1,2+3=X1,2+X1,3;23231.1.试述角系数的定义。试述角系数的定义。“角系数是一个纯几何因子角系数是一个纯几何因子”的结论是的结论是在什么前提下得出的?在什么前
14、提下得出的?答:表面答:表面1发出的辐射能落到表面发出的辐射能落到表面2上的份额称为表面上的份额称为表面1对表面对表面2的的角系数。角系数。“角系数是一个纯几何因子角系数是一个纯几何因子”的结论是在物体表面性质的结论是在物体表面性质及表面温度均匀、物体辐射服从兰贝特定律的前提下得出的。及表面温度均匀、物体辐射服从兰贝特定律的前提下得出的。2.2.角系数有哪些特性?这些特性的物理背景是什么?角系数有哪些特性?这些特性的物理背景是什么?答:角系数有相对性,完整性和可加性。相对性是在两物体处于答:角系数有相对性,完整性和可加性。相对性是在两物体处于热平衡时,净辐射换热量为零的条件下导得的;完整性反映
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