传热-第9章-辐射换热.

第8章小结重点掌握以下内容：（1）有关热辐射的基本概念：吸收比、反射比、透射比、黑体、灰体、漫射体、人工黑体、辐射强度、辐射力、发射率（黑度）、立体角、温室效应、选择性表面等；（2）热辐射的基本定律：普朗克定律、斯忒藩—玻耳兹曼定律、维恩位移定律、兰贝特定律、基尔霍夫定律。作业：8－17、8－18、8－21（1）北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜。试问树叶上、下表面的哪一面结霜？为什么？思考题（2）深海水的颜色为什么总是蓝色的？（3）相当，为什么与地球相比火星上的昼夜温差却大的多？（4）么颜色（深或浅）的比较好？（6）材料1，2的半球光谱发射率如图所示。问半球平均发射率如何随温度发生变化，并简要说明之。ελO12λb0b0bb(,)(,)()()ETdETdETET(5)室温下呈黑色的铁棒在炉中加热时，颜色渐呈暗红、红、橙黄，您知道为什么吗？第9章辐射换热计算假设：（1）进行辐射换热的物体表面之间是不参与辐射的介质(单原子或结构对称的双原子气体、空气)或真空；（2）每个表面都是漫射(漫发射、漫反射）灰体或黑体表面；（3）每个表面的温度、辐射特性及投入辐射分布均匀。8－1角系数的定义、性质及计算1.角系数的定义表面1发出的总辐射能中落到表面2上的百分数称为表面1对表面2的角系数，用符号X1,2表示。同理，表面2发出的总辐射能中落到表面1上的百分数称为表面2对表面1的角系数，用符号X2,1表示。角系数：也称为形状因子、可视因子、交换系数等等根据角系数的定义，有21d1,d21dAdAdAX落到上由发出的辐射能向外发出的总辐射能11111111dAcoscosdAbLddE＝2122dAcoscosr112d2,d12dAcoscosXr图8－2两微元表面间的辐射dA1可以看出，在上述假设条件下，角系数是几何量，只取决于两个物体表面的几何形状、大小和相对位置。2.角系数的基本性质（1）角系数的相对性（互换性）：112221AXAX，，112d2,d12dAcoscosXr212d1,d22dAcoscosXr这一性质也可以通过两个黑体表面间的辐射换热而获得。（2）角系数的完整性：（3）角系数的可加性（分解性）：1b11,21b11,21b11,2abAEXAEXAEX1,21,21,2abXXX2b22,12ab22a,12bb22b,1AEXAEXAEX22,12a2a,12b2b,1AXAXAX对于N个表面包围并形成一个封闭腔，那么根据角系数的定义，1,11,21,31,1,11nniiXXXXX3.角系数的计算方法主要有积分法、代数分析法、图解法(或投影法)等。（1）积分法：根据角系数表达式通过积分运算求得角系数,2coscos1jiijijijAAiXdAdAAπr根据辐射强度的定义，单位时间内离开dAi直接投射到dAj上的辐射能为cosijiiijiLdAdΦdΩ2coscosjjiiidALdAr2coscosjjiiidAEdAr2coscosπijiijEdAdAr离开整个黑体表面i直接投射到表面j的辐射能为2coscosjiijijiijAAEdAdAπr,ijijiiXAE2coscos1jiijijAAidAdAAπr2coscosjiijiijAAEdAdAπr离开整个黑体表面i的总辐射能为AiEbi,根据角系数的定义，,2coscos1jiijijijAAiXdAdAAπr同理可得,2coscos1jiijjiijAAjXdAdAAπr这就是计算角系数的积分表达式（2）代数法：利用角系数的定义及性质,通过代数运算确定角系数。图(a)、(b)：1,21X11,222,1AXAX12,12AXA图(c)：21,21,21aaAXXA图(d)：1,22,11XX三个非凹表面构成的封闭空腔11,211,31AXAXA22,122,32AXAXA33,133,23AXAXA11,222,1AXAX11,333,1AXAX22,333,2AXAX11,211,322,31231()2AXAXAXAAA11,211,31AXAXA2312312,32222AAAlllXAl22,122,32AXAXA1321321,31122AAAlllXAl33,133,23AXAXA1231231,21122AAAlllXAl1,21,1,1acbdXXX1,2acabacbcXab1,2bdabbdadXab1,22adbcacbdXab500K0K2000K0K0K500K2000K0K1.如图所示，两组平行表面的大小、形状和相对位置均相同，在垂直面上均为无限长，其中左图表面1的温度自左向右呈线性递增，右图表面1的温度自左向右呈线性递减，二两图中的表面2均相同。显然两种情况下自表面1发出，落到表面2的辐射能量份额不同，即二者角系数不同，而这与“角系数是纯几何因子“相矛盾，如何解释？12120.25m12d=0.1m0.25m342.求下列图形中的角系数X1,21m1m1m1m1324tAdOBHt3.如图所示，直径为d的圆柱表面及平面AB在垂直黑板方向均为无限长。求平面与圆柱外表面的角系数XAB,O。CD作业:9-6,9-7,9-108-2被透热介质隔开的表面间的辐射换热对于任意位置的两个黑体表面1、2，1211,2b1AXE2122,1b2AXE1,2122111,2b122,1b2AXEAXE11,2b1b2AXEE22,1b1b2AXEE注意：1，2是两个任意位置的黑体表面1、2之间直接的辐射换热量，没考虑其它表面的影响。（1）黑体表面之间的辐射换热空间辐射热阻b1Eb2Eb3EbiEbnE,1iinAX,11iiAX有效辐射：单位时间内离开单位面积表面的总辐射能,用符号J表示,单位是W/m2。如果由N个黑体表面构成封闭空腔,,,bb11NNiijiijijjjAXEE（2）漫、灰表面之间的辐射换热如果两个黑体表面构成封闭腔，则两个表面净交换的热量：辐射网络1,211,2b1b2AXEEb1b211,21EEAX根据有效辐射定义，b1JEGEG单位面积的辐射换热量JGAbEGA表面辐射热阻网络单元对于黑体表面，=1，表面辐射热阻为零，。bJE表面辐射热阻b1EJA若，T1T2，表面1、2之间净辐射换热量为1,211,2122,12AXJAXJ11,212AXJJ1211,21JJAX空间辐射热阻网络单元根据能量守恒，12122b222221JEA表面2净得b1111111EJA表面1净损失联立以上三式，可得b1b212121111,222111EEAAXA两表面封闭空腔的辐射网络b1b212121111,222111EEAAXA表面1为平面或凸表面1,21X如果12AA1,211b1b2AEE1b1b21,21122()111AEEAA两块平行壁面构成的封闭空腔b1b212121111,222111EEAAXA12AAA1,22,11XXb1b212()111AEE1,2b1b2AEE称为系统黑度1,2121=11-1对于非凹物体表面1和包壳2之间的辐射换热,1,21X1b1b21,21122()111AEEAA如果，12AA1,211b1b2AEE8-3多个漫灰表面封闭空腔内的辐射换热封闭空腔内任意一个表面i净损失的辐射热流量等于该表面与所有表面交换的辐射热流量的代数和，即b1iiiiiiEJA,1NiijijjAXJJb,11()1niiijijjiJEXJJ或者直接根据表面i的有效辐射的定义，b,1(1)niiiiijjjJEXJ原则上，对于N个表面构成的封闭空腔,可以写出每个表面有效辐射节点方程,构成由N个有效辐射节点方程组成线性方程组。只要每个表面的温度、发射率已知,相关角系数可求,就可以通过求解线性方程组得到各表面的有效辐射,进而求得每个表面的净辐射换热量。辐射网络法b1iiiiiiEJA,1NiijijjAXJJ1,1NijjiijJJAX只要利用相应的空间辐射热阻将封闭腔所有的有效辐射节点连接起来,就构成了完整的辐射换热网络。进而可以运用电学中直流电路的求解方法,求出各节点的有效辐射及各表面的净辐射换热量。这种方法称为辐射网络法。空腔内表面i与其它表面之间的辐射换热网络单元b1iiiiiiEJA1,1NijjiijJJAX两表面封闭空腔的辐射网络b1b212121111,222111EEAAXA三个表面组成的封闭系统三表面封闭腔的等效网络图节点的热流方程如下：123,,JJJ求解上述方程组得到123,,JJJA画等效电路图；B列出各节点的热流(电流)方程组；C求解方程组，以获得各个节点的有效辐射；D利用公式:计算每个表面的净辐射热流量。总结上面过程，可以得到应用网络法的基本步骤如下：1biiiiiiEJA三表面系统的两个特例:(a)一个表面为黑体(b)一个表面绝热8-4辐射换热的强化与削弱b1b212121111,222111EEAAXA以两表面封闭空腔的辐射为例1.辐射换热的强化如果，12AA1,211b1b2AEE2.辐射换热的削弱-遮热板的原理121,212111bbEEq两个无限大平面组成的封闭系统为简单起见，假设1212s12==()21bbbbEEEE33T1,3133,232()()sbbsbbqEEqEE1,2121()2sbbqEE1,21,33,2qqq12111RAAA无遮热板＝121112RAAA加遮热板＝（）如果加n层同样的遮热板，则辐射热阻将增大n倍1,21,211nn1.300MW汽轮机高压缸2.储存液态气体的低温容器3.在航天工程中经常采用超级多层复合隔热材料，每层膜厚6~20m，膜的表面发射率只有0.02~0.04，同时在膜中间抽真空，垂直于膜厚方向上的当量导热系数低到105W/(mK)。3.遮热板应用技术遮热板在测温技术中的应用热电偶测温：44f1112AhTTATT44112f1TTTTh测温误差：测温误差和辐射换热量成正比，与对流换热表面传热系数h成反比。裸露热电偶热平衡：当Tf=1000K、T2=800K、1=0.8、h=40W/(m2K)时，测温误差可达144K。给热电偶端部加一个遮热罩3，热电偶端点的热平衡表达式44f1113hTTTT遮热罩的热平衡表达式44f33322hTTTT当遮热罩的表面发射率为3=0.2时，联立求解以上两式，可求得测温误差。可见，加遮热罩后，相对测温误差由未加遮热罩的14.4%降低到4.4%。f144KTT抽气式热电偶：遮热罩做成抽气式，以便强化燃气与热电偶之间的对流换热，提高表面传热系数h。减少测温误差的方法8-5气体辐射1气体辐射的基本特征(1)气体的辐射和吸收对波长具有选择性，不能视为灰体CO2和H2O的主要吸收光带(2)气体的发射