研究生传热学课第九章

Chapter9辐射换热计算第一节黑表面间的辐射换热第二节灰表面间的辐射换热第三节角系数的确定方法第四节气体辐射第五节太阳辐射1F2F1dF2dF第一节黑表面间的辐射换热1-1任意位置两非凹黑表面间的辐射换热r121n2n两黑表面:Ｆ１，Ｆ２温度为:Ｔ１，Ｔ２微面积:21,dFdF两者距离:ｒ21,法线与连线r的夹角:dF1投向dF2的辐射能为:1111cosbIdFd2212cosdFdr12221211111222coscoscoscosdFdFbbdFQIdFEdFdFrr21111222221222coscoscoscosdFdFbbdFQIdFEdFdFrrdF2投向dF1的辐射能为:微面积dF1与dF2的辐射换热量为：12122112,12122coscosdFdFdFdFdFdFbbdQQQEEdFdFr黑表面F1与F2的辐射换热量为:1212121,21,212122coscosdFdFbbFFFFQdQEEdFdFr122212,1,212122coscosdFFdFdFbbFFdQdQEEdFdFr微面积dF1与F2的辐射换热量为：dF1的总辐射能为:122122122211coscosdFdFFdFFbFQXdFEdFr，角系数111dFbQEdF12121122coscosdFdFbQEdFdFr12121121122122211coscoscoscosbdFdFdFFdFbEdFdFQrXdFQEdFr，ddF1投射到dF2的辐射能为:所占的百分数为:XdF1,dF2:dF1向半球空间辐射的能量中落到dF2上的百分数,称角系数微面dF1对表面积F2的角系数XdF1,F2为：212111121222coscosdFdFdFFbFFdQXdFEdFr，表面积F1对表面积F2的角系数XF1,F2为：1212121212122111coscos1dFdFFFFbFQXdFdFEFFrF，F表面积F2对表面积F1的角系数XF2,F1为：2112211212122222coscos1dFdFFFFbFQXdFdFEFFrF，FdF2对F1的角系数XdF2,F1为：1,212,12XFXF角系数的互换性1,2121,21()bbQEEXF121,21,211bbEEQXFor：1212121,21,212122coscosdFdFbbFFFFQdQEEdFdFr1,2122,12()bbQEEXF1,212,1211XFXF1bE2bE空间热阻：平行的黑体大平壁：1,22,11XXFTTCFTTFEEQbbbb42414241212,1100100)(W特例1234561-2封闭空腔诸黑表面间的辐射换热封闭空腔的概念•房间内有一个敞口的圆柱形空腔体，求开口的辐射热损失？•真实表面•虚拟表面Tw,εwTc,εc1,111,21,31,41,11njnjXXXXXX11,11,21211,313111,11,njbbbbjnbnQQFXEEFXEEFXEE角系数完整性：表面1与所有其他黑表面间的辐射换热：44111,111,11144441111,1111,2211,nnjbbjjbjjjbbbnbnQFXEEFXTTFTFXTFXTFXT表面1发射的能量表面1吸收的能量三个黑表面的辐射换热：利用空间热阻网络图1bE2bE3bE12,11AX12,11AX12,11AX1、所有表面组成封闭空腔2、每个表面有个电位节点3、两个表面间空间热阻4、角系数=0，两个表面断开•绝热面（重辐射面）：净辐射换热量为0.•能量流动方向看：投射来的能量全部反射出去•数值取决于左右两个空间热阻的相对大小1bE2bE3bE13,11AX12,11AX23,21AXExample9-1T1=400T2=40绝热表面1、求表面1，2的净辐射换热量2、求表面3的温度灰表面多次辐射吸收第二节灰表面间的辐射换热1111111111GEGEJbb2mW1111111111bQQJGEGFF或2mW对漫灰表面：11灰表面吸收一部分投射辐射,反射一部分G1是外界对表面1的投射辐射灰表面的有效辐射=本身辐射+反射辐射灰表面1的净辐射换热量2-1有效辐射1111111111111FJEJEFQbbW111111bJEG1J1bE1111F表面热阻J称为电位节点J1αG1ρG1E1=ε1Eb1G1121,212111,2122111bbEEQFXFFWF1作为计算表面积11,2121,211,2121,22,112()()11111bbsbbFXEEQFXEEXX2-2组成封闭腔的两灰表面间的辐射换热1bE1J1,211XF2J2221F2bE1111F两个灰表面组成的封闭腔的辐射换热网络系统发射率FFF211,22,11XX且WExample1：两无限大平行灰平壁的辐射换热111121s系统发射率：4241TTFbs11121212,1bbEEFQif内包壁面1为凸形壁面，1,21XExample2空腔与内包壁之间的辐射换热441,211121112bbbQFEEFTT若F2F1,则：22212,1111212,1111FFXFEEQbb1121122111bbFEEFF1bE1J1,211XF2J2221F2bE1111F辐射热阻网络图：1，2间辐射换热量：example•9-2and9-3•车间的蒸气管道，长为1m，外径为50mm，管道发射率为0.4，温度t1＝50℃，墙面温度为15℃，求管道与车间墙面的换热量121bE2bE3bE2,321XF1,311XF1,211XF3J2J1J1111F3331F2221F三个灰表面组成封闭空腔辐射换热网络2-3封闭空腔中多灰表面间的辐射换热基尔霍夫电流定律：流入每个节点的电流（热流）之和等于零123一.封闭空腔中的辐射热量1.借鉴基尔霍夫电流定律:节点1:11312111111,211,30111bEJJJJJFFXFX22321222211,222,30111bEJJJJJFFXFX332313313322,311,30111bEJJJJJFFXFX节点2:节点3:各表面间的净辐射热量:iiiibiiFJEQ1Notice:两个灰表面间的换热量是否等于：,,???1ijijijiJJQXF,1njjjjbjjiijiiFJFEJXF式中:,iijiJXF是i表面投射到j表面的能量,,ijijijXFXF,,11nniijijjiiiiJXFFXJj表面有效辐射为:4,11njjbjjjiiiJTXJ4,111njjjiibjijjJXJT上式还可写成：2.热平衡法(有效辐射=本身辐射+反射辐射)Example9-4，9-5，9-61231112142412,1TTqb1T2T2,1q44131,313111bTTq44323,232111bTTq1T2T1233T3,1q2,3q2-4遮热板稳态条件下:qqq2,33,1设发射率都相等:321则:42414321TTT代入,得:111212142412,1TTqb44441332111111bbTTTT加隔热板后,辐射换热网络图:1J2bE3bE3J'3J2J1111F3331F333''1F2221F3,221XF1,311XF1bE加隔热板前,辐射换热网络图:1bE1J2bE2J1111F2221F1,311XF热电偶的热平衡：遮热罩的热平衡：44)(wcbccbtcbtccccgTTAEEAAtthwcgtwthcgthwts热电偶的热平衡：44)(scbccccgTTAAtth4444)(2wsbssscbccssgTTATTAAtthEg9-7and9-8讨论：热电偶测夏季空调室内温度，读数高还是低于室内空气温度？如果加上金属套管，测温误差有那些因素？3-1积分法确定角系数xdxD2FR12222xRr第三节角系数的确定方法12221222,coscos.RrRxRx在F2取一距圆心为x，宽度为dx的圆环，微面积dF2=2πxdx1222212,22222coscos2dFFFFRxdxXdFrRx角系数的表达式：2222220DdxRRxdF12222222014DDRRxRD图9-18平行长方形表面间的角系数图9-19两同轴平行圆盘间的角系数图9-20相互垂直两长方形表面间的角系数2F3F1F1,211,3112,122,3223,133,233XFXFFXFXFFXFXFF角系数互换性：1,212,12XFXF1,313,13XFXF2,323,23XFXF三个非凹表面组成的空腔1,211,312,122,323,133,23123XFXFXFXFXFXFFFF3-2代数法确定角系数1,211,312,3212312XFXFXFFFF1、三个非凹表面组成的空腔1,211,312,3212312XFXFXFFFF1231,212FFFXF1321,312FFFXF3212,322FFFXF1,211,3112,122,3223,133,233XFXFFXFXFFXFXFF2、两个无限长相对非凹表面间的角系数Xab,cd=(交叉线之和-不交叉线之和）/(2X表面ab）12134,,AAAAA当两个表面之间进行辐射换热，如把表面分解为可有：11,233,244,2AXAXAX3、空腔表面2与内包凸形表面1间的辐射换热1,212,12XFXF1,21X互换性原理：12,12FXF4、角系数的分解性256,AAA如把表面分解为可有：11,211,511,6AXAXAX第四节气体辐射辐射光谱吸收光谱1-黑体,2-灰体,3-气体当气体层厚度不大温度不高时，--忽略其辐射与吸收能力-即认为是透明体。4-1气体辐射的特点高温气体、大气层多原子气体等具有显著的辐射与吸收能力。光带：辐射与吸收的波长范围。水蒸气和二氧化碳的辐射和吸收光带光带H2OCO2波长自1~2（m）（m）波长自1~2（m）（m）第一光带2.24~3.271.032.36~3.020.66第二光带4.8~8.53.74.01~4.80.79第三光带12~251312.5~16.54.01.气体的辐射和吸收具有明显的选择性可解释全球气候变暖及臭氧层破坏的危害2.气体的辐射和吸收在整个容积中进行晴天夜晚结露的原因：大气层的远红外窗口：8-13m4-2气体吸收定律dxIKdIxx,,(1