高教传热学第四版课件第9章

第9章辐射换热的计算本章重点内容重点内容：①角系数的定义及性质；②辐射换热网络法计算表面间的辐射换热。掌握内容：①掌握形状较简单情形下表面间角系数的计算方法；②表面间辐射换热的计算。了解内容：了解气体辐射的特点。作业9-6，9-8，9-18，9-23，9-28，9-35，9-37，9-45，9-62，9-649-1角系数的定义、性质及计算一.角系数的定义1.两表面间的辐射换热量与两个表面间的相对位置有很大关系。表面相对位置的影响2.角系数的定义表面1发出的辐射能中落到表面2上的百分数3.讨论角系数时的假设（1）所研究的表面是漫射的；（2）所研究表面的不同地点上向外发射的辐射热流密度是均匀的4.角系数纯是几何因子，与表面温度及发射率无关(1)相对性9-1角系数的定义、性质及计算二.角系数的性质微元表面间的辐射发出的总辐射能发出的辐射能上由落到1122,1dAdAdAXdd2212111111coscoscosrdAdAEddALbb22111,2coscosrdAXdd2,111,22ddddXdAXdA9-1角系数的定义、性质及计算两黑体表面间的辐射换热1,2222,1112,1XEAXEAbb1,222,11XAXA两黑体间的辐射换热量21TT当时，净辐射换热量为零，则有：若表面n为非凹表面时，Xi,i=0。9-1角系数的定义、性质及计算(2)完整性角系数的完整性,1,2,,11niiinijjXXXX9-1角系数的定义、性质及计算(3)可加性角系数可加性图示bbabbXEAXEAXEA2,1112,1112,111baXXX2,12,12,1NiiXX12,12,1故有：如把表面2进一步分成若干小块，则有：2,12,12,1abXXX？1,2221,2221,222bbbababXEAXEAXEA1,221,221,22bbaaXAXAXA221,2221,21,2AAXAAXXbbaa直接积分法、代数分析法、几何分析法二.角系数的计算9-1角系数的定义、性质及计算1.计算方法：2.直接积分法直接积分法图示22122,1coscosrdAXdd222212,1coscosAdrdAX122212,1112coscosAdrdAXAAA1222112,112coscos1AdrdAAXAA利用角系数的性质，通过求解代数方程获得角系数的方法9-1角系数的定义、性质及计算3.代数分析法：三个很长的非凹形表面组成的辐射系统13,12,1XX13,21,2XX12,31,3XX1,222,11XAXA1,333,11XAXA2,333,22XAXA13212,12AAAAX13212,12llllX两个非凹表面及假想面组成的封闭系统bdabacabcdabXXX,,,1abbcacabXacab2,abadbdabXbdab2,abbdacadbcXcdab2,的断面长度表面之和交叉线之和－不交叉线12,12AX9-1角系数的定义、性质及计算9-2被透明介质隔开的两固体表面间的辐射换热一.黑体表面间的辐射换热黑体系统的辐射换热11,2,1,2bbAXEE1,21,11,22,22,1bbAEXAEX22,1,1,2bbAXEE（1）灰体表面的吸收比小于1，投入到灰体表面上的辐射能的吸收不是一次完成的，要经过多次反射（2）由一个灰体表面向外发射出去的辐射能除了其自身的辐射力外，还包括了被反射的辐射在内二.漫灰表面表面间的辐射换热9-2被透明介质隔开的两固体表面间的辐射换热1.漫灰表面辐射换热计算的复杂性3.两漫灰表面间的辐射换热9-2被透明介质隔开的两固体表面间的辐射换热有效辐射示意图11GJq111GEqqEqEJb1112.几个概念（1）投入辐射G：单位时间投射到单位面积的总辐射能（2）有效辐射J：单位时间离开表面单位面积的总辐射能（3）G与J间的关系：111111111GEGEJb的部分面的部分面效辐射到达表效辐射到达表发出的有表面发出的有表面12211,2222,1112,1XJAXJA根据下式及能量守恒有1,22,11,2222222,1111111111bbEAAJEAAJqEJb)11(两个物体组成的辐射换热系统于是有：9-2被透明介质隔开的两固体表面间的辐射换热121,2121111,222111bbEEAAXA1211,2111,22211111bbEEAAXA1,21111,2sbbEEAX11111121,212,1XXs系统发射率：4.三种特殊情形(1)表面1为非凹表面，X1,2＝19-2被透明介质隔开的两固体表面间的辐射换热1211,21122111bbEEAAA4241110010067.5TTAs11112211AAs(2)空腔与内包小物体间的辐射换热：A1/A20(3)两无限大平行平板间的辐射换热：A1/A219-2被透明介质隔开的两固体表面间的辐射换热44121,21112115.67100100bbTTAEEA441211211,212125.67100100111111bbTTAEEA9-3多表面系统辐射换热的计算一．辐射热阻1bEJq1bEJA1,2111,2222,111,212AJXAJXAXJJ121,211,21JJAX表面热阻bEA11J空间热阻1J2,111XA2J数值法：从分析任一表面的有效辐射入手进行辐射换热的计算。可用于多表面情况，适宜于用计算机进行求解。9-3多表面系统辐射换热的计算二．辐射换热的计算方法网络法：用电学中的电流、电位差和电阻比拟热辐射中的热流、热势差与热阻，用电路比拟辐射热流的传递路径。简明、直观注意：两种方法都离不开角系数的计算，所以，必须满足漫灰面、等温、物性均匀以及投射辐射均匀的四个条件。(1)网络法的应用举例两表面封闭系统辐射换热等效网络图1bE2,11111A2J1J2bE2221A2,12,11XA9-3多表面系统辐射换热的计算三．辐射换热的网络法121,2121111,222111bbEEAAXA(2)网络法的求解步骤9-3多表面系统辐射换热的计算三．辐射换热的网络法a.画出等效网络图由三个表面组成的封闭腔三表面封闭腔的等效网络图b.列出节点的电流方程9-3多表面系统辐射换热的计算1131211111,211,3110111bEJJJJJJAXAXA：＋＋＝2232122211,222,3220111bEJJJJJJAXAXA：＋＋＝3313233311,322,3330111bEJJJJJJAXAXA：＋＋＝c.求解代数方程，得出节点电势J1、J2、J3d.确定每个表面的净辐射换热量9-3多表面系统辐射换热的计算1biiiiiiEJA,1niijj9-3多表面系统辐射换热的计算(3)三个特例33310A33bJEa.有一个表面为黑体表面3的净辐射换热量：3132311,322,311JJJJAXAX＋代数方程简化为二元方程组9-3多表面系统辐射换热的计算(3)三个特例b.有一个表面绝热，即净辐射换热量为零333311bbJEqE121,2bbtEER12112211teqRRAA11,211,322,3111111eqRAXAXAX＋重辐射面9-3多表面系统辐射换热的计算(3)三个特例33310A33bJEc.有一个表面面积很大从而有为已知量设表面3的面积很大，则其表面热阻:这种情况与表面3为黑体的情况类似，计算方法相同9-3多表面系统辐射换热的计算四．辐射换热的数值法4,1NiiiiiijjjijJAATJAX1iiii1ii4,11/NiiiijjjiijJTJAXA且对于漫灰表面有则,,jjiiijAXAX4,11NiiiijijjJTJX9-4辐射换热的强化与削弱一．强化与削弱辐射换热的方法1.强化辐射换热的方法：（1）增加换热表面的发射率2.削弱辐射换热的方法：（2）改变两表面的布置以增加角系数（2）在两辐射表面之间安插遮热板（1）减少表面发射率9-4辐射换热的强化与削弱1.定义：指插入两个辐射换热表面之间以削弱辐射换热的薄板二．遮热板2.遮热板的工作原理：遮热板9-4辐射换热的强化与削弱1111A1,211XA2221A1bE1J2J2bE加遮热板前的辐射换热网络图121,2121111,222111bbEEAAXA加遮热板前9-4辐射换热的强化与削弱遮热板加遮热板后的辐射换热网络图1111A1,311XA3331A3331A2,321XA2221A1bE1J3J3bE3J2J2bE121,233121111,2333322,322111111bbEEAAXAAAXA1231,21,212若则9-4辐射换热的强化与削弱3.遮热板在工程技术中的应用（1）汽轮机中用于减少内外套管间辐射换热。（2）遮热板用于储存液态气体的低温容器。（3）遮热板用于超级隔热油管。（4）遮热板用于提高温度测量的准确度。9-4辐射换热的强化与削弱3.遮热板在工程技术中的应用例题11dA2As1,2dX如图所示，已知一微元圆盘与有限大圆盘（直径为D）相平行，两中心线之连线垂直于两圆盘，且长度为。试计算s1dA12rdr解：s1dA12rdr例题12121,222coscosdAXdAl1222coscosssr22dArdr2/21,2222201.2DdsXrdrsrsr2/222022Dsdrsr/22220Dssr2224DDs例题2试证：对于附图所示的几何结构有,arctan/2ABDdXtHt圆柱表面及平面AB在垂直于纸面的方向上为无限长。解：BAECDO例题2BAECDO,222ABDBDDCACXABACBD,2ABDDCDCXABtCOADOB22arctantCODAOBAOEH.arctan2dtDCCODdH,arctan/2ABDdXtHt则2T222、、在两块平行的黑体表面1、3之间置入一块透明平板2。板1、3的表面温度为已知，板2的温度维持在某个值，其发射率、反射比及透射比各为。试确定表面1单位面积上净辐射换热量的表达式。例题3解：板1板3板241T421T421T43T423T423T422T422T4442221232TTT4421234222TTT444411212223TTTT板2的热平衡方程为：则表面1的净辐射换热量为：例题41T2T3T两个面积相等