传热学第九章-辐射传热的计算VIP

1、第九章辐射传热的计算第九章辐射传热的计算Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer9-1 角系数的定义、性质与计算角系数的定义、性质与计算即便其它条件一致，两物体间的辐射换热量随表面的相对位置不同而存在较大的差异。（教材图9-1）Why角系数定义：角系数定义：表面1发出的辐射能落到表面2上的百分数称为表面1对表面2 的角系 数X1,2“发出” 包含表面1自身的辐射和反射的辐射； “落到” 不管表面2是否能够吸收； 的总辐射能离开表面的辐射能并直接到达表面离开表面1212, 1X角系数概念的角系数概念的假定假定： 所研究的表面为漫

2、射体 表面的辐射热流均匀角系数的基本属性角系数的基本属性： 纯几何因子，与表面的温度和发射率无关。1 , 2222, 1112, 1XEAXEAbb两黑体表面间的辐射换热量Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer9-1 角系数的定义、性质与计算角系数的定义、性质与计算角系数的性质相对性完整性可加性角系数的相对性：角系数的相对性： 两个表面间的角系数 X1,2和X2,1 不是独立存在的。（推导基于立体角概念和兰贝特定律）1 , 222, 11XAXA两个有限大小表面1Shanghai Jiao Tong UniversitySJ

3、TU-OYH传热学 Heat Transfer9-1 角系数的定义、性质与计算角系数的定义、性质与计算角系数的性质相对性完整性可加性角系数的完整性：角系数的完整性： 由N个表面组成的封闭腔，有2niinXXXXX1, 1, 13 , 12, 11 , 11表面1为非凹表面（凸面或平面）：X1,10表面1为凹表面：X1,10 发射面1自身凹表面非凹表面Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer9-1 角系数的定义、性质与计算角系数的定义、性质与计算角系数的性质相对性完整性可加性角系数的可加性：角系数的可加性： 设表面2由2A 和2

4、B 两部分组成，有3BAXXX2, 12, 12, 1表面1到表面2表面2到表面11 ,2221 ,2221 , 2BBAAXAAXAAX注意：注意：1 ,21 ,21 , 2BAXXX角系数的直接相加仅适合角系数符号第二角码Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer9-1 角系数的定义、性质与计算角系数的定义、性质与计算角系数的计算直接积分法代数分析法几何分析法、蒙特卡罗法直接积分法：直接积分法： 利用角系数的基本定义通过多重积分求解。1四重积分太复杂？常见几何结构角系数的求解查图表 （教材图9-79-9、表9-1、9-2）S

5、hanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer9-1 角系数的定义、性质与计算角系数的定义、性质与计算角系数的计算直接积分法代数分析法代数分析法几何分析法、蒙特卡罗法代数分析法：代数分析法： 利用角系数的性质，通过求解代数方程组获得角系数的方法。2三个非凹表面组成的封闭系统（忽略垂直方向两端辐射能的逸出）2, 333 , 222, 31 , 31 , 333 , 113 , 21 , 21 , 222, 113 , 12, 1111XAXAXXXAXAXXXAXAXX相对性完整性Shanghai Jiao Tong Universit

6、ySJTU-OYH传热学 Heat Transfer9-1 角系数的定义、性质与计算角系数的定义、性质与计算角系数的计算直接积分法代数分析法代数分析法几何分析法、蒙特卡罗法代数分析法：代数分析法： 利用角系数的性质，通过求解代数方程组获得角系数的方法。2三个非凹表面组成的封闭系统（忽略垂直方向两端辐射能的逸出）13212, 12AAAAX13212, 12llllX以线段长度表示Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer9-1 角系数的定义、性质与计算角系数的定义、性质与计算角系数的计算直接积分法代数分析法代数分析法几何分析法、

7、蒙特卡罗法代数分析法：代数分析法： 利用角系数的性质，通过求解代数方程组获得角系数的方法。2两个非凹表面及假想面组成的封闭系统（垂直方向无限长）abadbdabXabbcacabXXXXbdabacabbdabacabcdab221,完整性Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer9-1 角系数的定义、性质与计算角系数的定义、性质与计算角系数的计算直接积分法代数分析法代数分析法几何分析法、蒙特卡罗法代数分析法：代数分析法： 利用角系数的性质，通过求解代数方程组获得角系数的方法。2两个非凹表面及假想面组成的封闭系统（垂直方向无限长

8、）的断面长度表面不交叉线之和交叉线之和1,22)()(AabbdacadbcXcdab又称为交叉线法。交叉线和不交叉线均指虚拟的辅助线。Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer9-2 被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热透热介质：透热介质： 不参与热辐射的介质。封闭腔模型：封闭腔模型：计算任一表面与外界的辐射换热，必须计及空间各方向辐射能的发射和接收。因此，计算对象必须是包含所研究表面的封闭腔。封闭腔边界可以是全部真实的，亦可部分虚拟的。封闭腔模型适用于黑体和漫灰表面间辐射换热计算。被透

9、热介质隔开的两固体表面间的辐射换热被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热两黑体表面两漫灰表面导热、对流传热辐射传热直接接触的物体物体表面间被真空或者透热介质隔开吸收比小于1，且存在对投入辐射的反射Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer9-2 被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热1被透热介质隔开的两被透热介质隔开的两黑体黑体表面间的辐射换热表面间的辐射换热2, 1121211 , 22212, 111 , 2222, 1112, 1/1)()()(XAEEEEXAEEXAXEAXEAbb

10、bbbbbb角系数的相对性黑体辐射换热的等效网络411TEb2, 1422TEb2, 111XA空间辐射热阻黑体辐射换热计算的关键在于角系数X1,2的求取空间辐射热阻的理解？空间辐射热阻的理解？Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer9-2 被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热2被透热介质隔开的两被透热介质隔开的两漫灰漫灰表面间的辐射换热表面间的辐射换热漫灰表面吸收与发射辐射能的特点有效辐射J 的概念投入辐射投入辐射 G： 单位时间投射到单位表面积的总辐射能。有效辐射有效辐射 J：单位时

11、间离开单位表面积的总辐射能，包括自身辐射和反射辐射。11111111)1 (GEGEJb漫灰表面1 外能感受到的表面辐射即有效辐射 J1，计算漫灰表面的辐射换热采用有效辐射的概念，而非黑体的辐射力Eb。有效辐射自身辐射反射辐射固体、液体的穿透比0，111Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer9-2 被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热2被透热介质隔开的两被透热介质隔开的两漫灰漫灰表面间的辐射换热表面间的辐射换热漫灰表面间辐射换热量漫灰表面间辐射换热量 q 与有效辐射与有效辐射J 的关联

12、：的关联：GEqbGJqqEJb) 11(1JEqb关联式具有普遍性，注意是针对同一表面，且以向外的净放热为正值。实际物体表面的有效辐射J 总是小于相同表面温度的黑体辐射力Eb 吗？Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer9-2 被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热2被透热介质隔开的两被透热介质隔开的两漫灰漫灰表面间的辐射换热表面间的辐射换热1 , 2222, 1112, 1XJAXJAqEJb) 11(1 , 22, 1)(212, 112, 1bbEEXA)(212, 112, 1b

13、bsEEXA11111121 ,212, 1XXs两黑体表面两漫灰表面系统发射率系统发射率s ： 是考虑由于灰体系统多次吸收与反射对换热量影响的因子。 s 1Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer9-2 被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热2被透热介质隔开的两被透热介质隔开的两漫灰漫灰表面间的辐射换热表面间的辐射换热)(212, 112, 1bbsEEXA两漫灰面辐射换热的等效网络2222,11111212,1111AXAAEEbb1bE2, 11111A2J1J2bE2221A2,

14、111XA空间辐射热阻表面辐射热阻表面辐射热阻两漫灰面辐射换热的等效网络相比于两黑体表面多出两个表面辐射热阻两类热阻的理解？Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer9-2 被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热2被透热介质隔开的两被透热介质隔开的两漫灰漫灰表面间的辐射换热表面间的辐射换热)(212, 112, 1bbsEEXA表面1为非凹面，X1,10 X1,21简化1X1,21，表面积A1A2简化211112211AAs111121sX1,21，表面积A1A1，所以增加表面积为A1的物体

15、的发射率1 更加有效。（减小串联环节的最大热阻项）A11，A210 1 20.5 1.11 0.5 20.8 1.0251 0.8 20.5 0.35Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer9-5 辐射传热的控制（强化与削弱）辐射传热的控制（强化与削弱）2222, 11111212, 1111AXAAEEbb控制表面辐射热阻削弱2, 1A1 减小换热表面的发射率 工厂蒸汽管道外敷铝箔 2. 两辐射表面间安插遮热板实际物体对太阳能的吸收强化s太阳能集热器的光谱选择性涂层削弱s变压器油漆成浅色（表8-4）Shanghai Jiao

16、 Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer遮热板削弱辐射传热遮热板削弱辐射传热：)(21212, 1bbsEEq)(212, 1bbsEEq不加板加板增加一层遮热板，相当于增加两个表面辐射热阻，以及一个空间辐射热阻。（习题：9-24）9-5 辐射传热的控制（强化与削弱）辐射传热的控制（强化与削弱）1111s减小一半！减小一半！1bE2 , 1q1111A2J1J2bE2221A2 , 111XA加一层遮热板后的等效网络图？增加 n 层遮热板：2, 12, 111qnq遮热板的工程应用遮热板的工程应用：汽轮机高压、中压缸连接管；低温容器；输送蒸汽的隔热油管

17、；遮热罩抽气式热电偶。Shanghai Jiao Tong UniversitySJTU-OYH传热学 Heat Transfer单层遮热罩抽气式热电偶热电偶测量管内流体温度 tf：不加遮热罩时由于热电偶辐射换热，测量精度低； 已知：t1=792, tw=600 , h=58.2W/m2K, 1=0.3。 求：tf2. 加遮热罩减小辐射换热，同时抽气增加对流换热系数，精度提高； 加单层抽气式遮热罩。 已知：h=118W/m2K, tf1000 1=3=0.3 , 求：t13. 可采用多层遮热罩抽气式热电偶提高精度。9-6 综合传热问题分析综合传热问题分析遮热罩抽气式热电偶遮热罩抽气式热电偶热电偶的精度高： t1 tftft1t1t3twtwShanghai Jiao Tong Universi