辐射传热的计算

1、长江大学机械工程学院长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering一、组成辐射网络的基本热阻（1）表面辐射热流iiiibiiAJE1（2）空间辐射热流1 , 22212, 11212, 111XAJJXAJJ知识回顾：bE1A1J1J1 2，2, 111XA2J长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering二、漫灰表面之间辐射换热的网络求解法两漫灰表面构成封闭空间的辐射换热1bE1111A2J1J2bE2221A1 ,222, 111/1XAXA2, 1122222, 111114241021111)(AXAATT?1

2、1,212()sbbA XEE系统黑度：) 11() 11(1121 , 212 , 1XXs长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineeringa）一凸形/平漫灰表面被另一漫灰表面包围。11112211AAs0/, 1212 , 1AAX?b）凸形漫灰表面对大空间。1s)(424101121TTA?)(42410121TTAs?c) 两紧靠平行表面，即A1/A2 1，X1,2=1。111121s)(42410121TTAs?长江大学机械工程学院School of Mechanical EngineeringEb1Eb2Eb3J1J2J32, 111XA2221

3、A3 , 111XA3 , 221XA3331A 三个漫灰表面构成封闭空间的辐射换热节点1：11213111 111,211,30111bEJJJJJAAXAX节点2：22123222 211,222,30111bEJJJJJAAXAX节点3：01113 , 22323 , 113133333XAJJXAJJAJEb1111A长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineeringa）一表面为黑体。两特殊情形：Eb1Eb2J1J2J3= Eb31111A2, 111XA2221A3 , 111XA3 ,221XA表面3为黑体节点1：01113 , 11132 , 1

4、11211111XAJEXAJJAJEbb节点2：01113 , 22232 , 112122222XAJEXAJJAJEbb长江大学机械工程学院School of Mechanical EngineeringEb1Eb2J1J2J3= Eb31111A2, 111XA2221A3 , 111XA3,221XA表面3绝热b）一表面绝热。tbbREE212, 1eqtRAAR222111113 , 223 , 112, 11111111XAXAXAReq长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering9-35：设有如附图所示的几何体，半球表面是绝热的，底面被一

5、直径（D0.2m）分为1、2两部分。表面1为灰体，T1=550K,=0.35，表面2为黑体，T2=330K。试计算表面1的净辐射损失及表面3的温度。Eb1Eb2J1J2J32, 111XA2221A3 , 111XA3 , 221XAEb33331A1111A=Eb3=Eb2长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering3绝热，D0.2m。T1=550K,=0.35，2为黑体，T2=330K。计算1及T3的温度。Eb1J1J2J33 , 111XA3 , 221XA1111A=Eb3=Eb221210.015724AAD2320.0628AR2,31X1,

6、31X211 1110.35118.30.35 0.0157mA211,31163.70.0157mA X222,31163.70.0157mA X长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering3绝热，D0.2m。T1=550K,=0.35，2为黑体，T2=330K。计算1及T3的温度。Eb1J1J2J3=Eb3=Eb22118.3m263.7m263.7m441211,25.675.53.3118.3 63.7 63.7118.3 63.7 63.7bbEE 18.455W443131,25.675.5/100118.3 63.7118.3 63.7bT

7、EJ3423.8TK长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering第九章 辐射传热的计算9-1 辐射传热的角系数9-2 两表面封闭系统的辐射传热9-3 多表面系统的辐射传热9-4 气体辐射的特点及计算9-5 辐射传热的控制9-6 综合传热问题分析长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering工业上常见的温度范围内，氧、氮、氢等分子结构对称的双原子气体，可认为是热辐射的透明体。辐射性气体主要有：二氧化碳、水蒸气、二氧化硫、甲烷、氟里昂等三原子、多原子及结构不对称的双原子气体（一氧化碳）。9-4 气体辐射的特点及计算长江大

8、学机械工程学院School of Mechanical Engineering1. 对波长的选择性辐射性气体只在某些特定波段具有辐射和吸收本领。9-4 气体辐射的特点及计算一、气体辐射的特点CO2的主要辐射光带：H2O的主要辐射光带：2.652.8 m 4.154.45 m 1317 m、2.552.84 m 5.67.6 m 1230 m、COCO2 2和和H H2 2O O的主要吸收谱带的主要吸收谱带长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering9-4 气体辐射的特点及计算2、容积性投射到气体层界面上的辐射能在辐射行程中逐渐被吸收，同时界面上所感受到的

9、辐射为整个容积的总辐射。因此，气体的吸收和发射与辐射在气体中穿行的距离长短（通常叫行程）以及气体分子的密度有直接关系。而气体的密度则取决于它的温度和分压力。长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering二、气体辐射的衰减规律三、气体辐射的光谱吸收比、光谱发射率四、气体的发射率g和吸收比g五、气体与包壁的辐射传热9-4 气体辐射的特点及计算长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering二、气体辐射的衰减规律9-4 气体辐射的特点及计算贝尔定律给出了光谱辐射强度在吸收性气体中传播时的衰减规律。,dk dxxIxI,0,0,

10、dk dsIsxIxIxI k,0ssII eBeer Beer 定律定律,dkdxxIIx K为光谱衰减系数，m-1，它取决于物体的种类、密度和波长。s为射线行程。长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering从不同方向到表面的射线行程各不相同，为此用当量半球的半径作为平均射线行程，用s表示。几种典型几何容积的S 见表9-3。对任意几何形状的情况，可按下式计算：V:气体容积; A:包壁面积s3.6VA9-4 气体辐射的特点及计算长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering9-4 气体辐射的特点及计算,0sII是厚度

11、为s的气体层的单色穿透比三、气体辐射的光谱吸收比、光谱发射率k,s0( , )=/=ssIIe ，( , )( , )1k ssse 根据Kirchhoff定律，光谱发射率为k( , )=1( , )=1ssse ( , )( , )()ssf 分压P、温度T、射线行程s长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering四、气体的发射率g和吸收比g9-4 气体辐射的特点及计算g除了与s有关外，还与气体的温度和气体的分压力有关，于是我们有如下关系：),(psTfgg利用上面的关系，可以采用试验获得g，图8-20给出了PH2O=0时的水蒸气发射率 的图线。图8-2

12、1则是其修正系数 。OHC2*2OH水蒸气的发射率为：*222OHOHOHC长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering图图8-208-20 ),(22*spTOHgOH图图8-21 8-21 修正系数修正系数 OHC2长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering对于CO2:*222COCOCOC图图8-228-22 ),(22*spTCOgCO图图8-23 8-23 修修正系数正系数 2COC长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering2222*gH OH OCOCOCC同

13、时有水蒸气和二氧化碳时,气体的总发射率按下式计算:9-4 气体辐射的特点及计算2.气体的吸收比g*2222COCOOHOHgCC式中修正系数 和 与发射率公式中的处理方法相同，而 ， 和 的确定可以采用下面的经验公式OHC22COC*2OH*2CO45. 0)(,*222wgTTspTOHOHTTgwOHw65. 0)(,*222wgTTspTCOCOTTgwCOwwT长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering五、气体与包壁的辐射传热9-4 气体辐射的特点及计算1.气体与黑体外壳之间的辐射换热公式AXEAXEgwwbgwgg,1X,gwwgX)(,wb

14、ggbgEEA故2.气体与灰体外壳之间的辐射换热公式AEaAEabwwgbggwAEEbwgbggw)(ATTcwgggbw)100()100(44考虑第一次吸收，辐射传热量长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering例2：在太阳系中，地球和火星距太阳的距离相差不大，但为什么火星表面温度昼夜变化却比地球要大得多？长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering强化辐射换热的主要途径：（1）增加发射率； （2）增大面积A；（3）增加角系数。削弱辐射换热的主要途径：（1）降低发射率；（2）降低角系数/减小表面A；（3）加入

15、遮热板。 2222, 11111424102, 1111)(AXAATT9-5 辐射换热的强化与削弱长江大学机械工程学院长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering遮热板是指两个辐射换热表面之间插入用以削弱辐射换热的薄板，其实质相当于降低了表面发射率。T11 A T22 AT3,3, A遮热板9-5 辐射换热的强化与削弱长江大学机械工程学院长江大学机械工程学院School of Mechanical EngineeringT11 A T22 AT3,3, A遮热板Eb1Eb2111A2 , 11AX221A2,1?加入平板3后：Eb1Eb2111A3 ,

16、 11AX331A3 , 21AX331A221A21?39-5 辐射换热的强化与削弱长江大学机械工程学院长江大学机械工程学院School of Mechanical EngineeringT11 A T22 AT3,3, A没有遮热板时：11121424102, 1TTA加入遮热板后：()()()440131,33, 21, 213444403201232132=1111111212A TTA TTA TTseesseeeee-FFF=+-=+-+-如果所有平板的黑度均相同，即1=2=3=：2 , 1424102 , 121) 111 ( 2TTA9-5 辐射换热的强化与削弱长江大学机械工程

17、学院School of Mechanical Engineering例3：有两块无限大平板，其发射率分别为0.3和0.8，两者由于温度不同进行辐射换热。若在两平板之间插入一块两面抛光的铝遮挡板，其发射率为0.04，求由此引起的辐射换热降低的百分率。0.044 . 018 . 0211121424102, 1TTA()440121, 21321212A TTseee-F=+-长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering0.04解：未加入遮热板前：75. 2118 . 014 . 011111121s加遮热板后：11111151.75110.40.040.0

18、40.8s 4 . 018 . 02辐射换热降低的百分率：%7 .94%10075. 2175.51175. 21sss长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering例4：在两块平行放置的相距很近的大平板1与2中插入一块很薄且两个表面黑度不等的第三块平板。已知t1=300，t2=100，1=0.5，2=0.8，当板3的A面朝向表面1时，板3的温度为170，当板3的B面朝向表面1时，稳态时板3的温度为260。试确定表面A、B各自的黑度（精确到2位有效数字），并说说不同放置方式对散热损失有无影响？1 3 2A B长江大学机械工程学院School of Mech

19、anical Engineering已知t1=300，t2=100，1=0.5，2=0.8，当3的A1时，板3的温度为170，当3的B1时，板3稳态时的温度为260。确定3A、3B1 3 2A B()()44440130321,31313111111AABA TTA TTsseeee-F=+-+-A1时，板3的温度为170:617. 3373443443573111111444421BA长江大学机械工程学院School of Mechanical EngineeringB1时：时：264. 2373533533573111111444421AB64. 0,18. 0BA同理：说说不同放置方式对

20、散热损失有无影响？长江大学机械工程学院School of Mechanical EngineeringA1时，时，t3=170;1 3 2t1=3001=0.5t2=1002=0.8A B44131,31,2844132q =A1 0.5 1 0.18 15.67 10573443 =111=599.3/mbATTWB1时，时，t3=26044844131,321,213B5.67 10q =599.5W/mA1111/0.5 1/0.64 1bTT（573 -533）64. 0,18. 0BA长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering例4:如图所示，

21、两漫灰同心圆球壳之间插入一通信辐射遮热球壳，试问遮热球壳靠近外球壳还是靠近内球壳时，球壳1和球壳2表面之间的辐射散热量越大？12i长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering12i440121,2121 111,222()111111iiiiiiiiiTTAA XAAAXA遮热球壳靠近外球壳还是靠近内球壳时，球壳1和球壳2表面之间的辐射散热量越大？1,2Ai长江大学机械工程学院长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering遮热板的应用举例：对储存液氮、液氧等容器，为了提高保温效果，采用多层平壁并抽真空。遮热板用塑料薄

22、膜制成，（1）储存液态气体的低温容器；其上涂以反射比很大的金属箔层。箔层厚度约0.010.05，箔间嵌以质轻且导热系数小的材料作分隔层，绝热层中抽成高度真空。9-5 辐射换热的强化与削弱长江大学机械工程学院长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering（2）超级隔热油管 石油在地层下数千米，粘度大，开采时需注射高温高压蒸汽使其粘度降低。为减少蒸汽散热损失，可采用类似低温保温容器的多层遮热板并抽真空。内管注蒸汽外管间隔材料9-5 辐射换热的强化与削弱长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering浮式液化天然气(FLNG)

23、系统是由船与储气船装置组成 长江大学机械工程学院长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering 热平衡时，热电偶指示温度必低于/高于气体的真实温度。使用遮热罩抽气式热电偶，热电偶在遮热罩保护下辐射散热减少，抽气作用可增加对流换热，使测量误差减少。)()(21wfbbstthAEEA（3）提高温度测量的准确度为使遮热罩能对热电偶有效地起屏蔽作用，s/d应大于22.2。9-5 辐射换热的强化与削弱长江大学机械工程学院长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineeringcr4412()rsbATT 既有表面辐射传热又有对流传热的现

24、象统称表面传热。单位传热面的总传热热流密度为：()()() h()crcwfrwfcrwfwfq qqh tth tthh tttt（）hr辐射传热系数，Atthfwrr)(h=hr+hc:(复合传热)表面传热系数 9-6 综合传热问题分析长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering关于复合换热的几点说明：（1）在需要辐射换热表面传热系数hr的场合，应先从辐射换热公式中计算出辐射换热量r，然后按上式得出hr；（2 ）工程计算中辐射和对流常常同时存在，尤其是在以空气等气体作为对流介质的场合。在常温状态下，辐射散热量常与自然对流散热量处于同一数量级；（3）在

25、热阻分析及对传热系数k进行计算时，如果某一侧同时存在辐射与对流，其表面传热系数h应为复合换热表面传热系数。（4）在导热问题的第三类边界条件及用集总参数法研究导热问题时，如果导热边界条件是复合换热情形，则表面传热系数同样要用复合换热表面传热系数。Atthfwrr)(长江大学机械工程学院长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering 9-6 综合传热问题分析室内：（无风，热力管道及设备，tw=0150）209.77 0.07()/()whttWmC式中：tw管子或设备与空气接触的外表面的 平均温度，； t0环境温度，一般取室温，。室外：211.67/()hWmC式中：垂直于管道的风速，m/s；长江大学机械工程学院School of Mechanical Engineering例6：边长为1.2m的水平放置的太阳能集热器，吸热表面的发射率为0.25，对太阳能的吸收比s0.95。当太阳的投入辐射为Gs850W/m2时，测得吸热表面温度为95。此时环境温度为25，天空可视为23K的黑体。设吸热表面直接暴露在空气中，其上无夹层。若定义集热器效率为集热器所吸收的净太阳辐射能与太阳投入辐射之比。试确定该集热器的效率。长江大学