第9章辐射传热计算课件

第9章辐射传热的计算9.1辐射传热的角系数9.1.1角系数的定义及计算假定两表面间的辐射传热与相对位置有关。两种极限情形：定义，角系数：即表面1发出的辐射能中，落到表面2上的百分比。第9章辐射传热的计算9.1辐射传热的角系数9.1.11简化讨论，假设：①表面为漫射表面（各方向均匀辐射）；②表面上各点均匀辐射（）。因此：角系数是几何因子，与表面温度、发射率无关。后面的讨论，都假设为黑体，也适用于漫灰表面。简化讨论，假设：①表面为漫射表面（各方向均匀辐射）；②表29.1.2角系数的性质1.角系数的相对性（1）两个微元表面和（黑体）对应的立体角：方向可见辐射面积：9.1.2角系数的性质1.角系数的相对性（1）两个微3同理：同理：4（2）两个有限表面与（黑体）换热量：热平衡时：，（2）两个有限表面与（黑体）换热量：52.角系数的完整性对封闭系统：注意：①表面1为凸表面②表面1为凹表面2.角系数的完整性对封闭系统：注意：63.角系数的可加性（1）表面1对表面2的辐射即：角系数的第二个角标，具有可加性。（2）表面2对表面1的辐射3.角系数的可加性（1）表面1对表面2的辐射即：角79.1.3角系数的计算方法1.直接积分法两微元表面和：9.1.3角系数的计算方法1.直接积分法两微元表面8第9章辐射传热计算课件9第9章辐射传热计算课件10第9章辐射传热计算课件112.代数分析法（1）三个凸表面，垂直方向无限延伸——封闭系统完整性：相对性：解方程，可得6个角系数：垂直方向长度相同：（为辐射面长度）2.代数分析法（1）三个凸表面，垂直方向无限延伸——封闭系12（2）两个不相交凸表面，垂直方向无限延伸与侧面一起构成封闭系统完整性：封闭系统abc：封闭系统abd：解得：（2）两个不相交凸表面，垂直方向无限延伸与侧面一起构成封闭系13P404例题9-1试确定如图所示的表面1对表面2的角系数X1,2。解：①表面2对表面A，，，②表面2对表面（1+A），，，P404例题9-1试确定如图所示的表面1对表面14③由可加性：由相对性：③由可加性：由相对性：159.2两表面封闭系统的辐射传热9.2.1封闭腔模型及两黑体表面组成的封闭腔注：两表面之间为真空或透热介质（如空气）1.封闭腔模型一个表面的辐射传热涉及：

①表面发出的辐射能（自身表面）；②投入到表面的辐射能（周围环境中的表面）。封闭腔：所研究的表面与周围环境中的各表面组成封闭系统。例如：两个无限接近的平行板。9.2两表面封闭系统的辐射传热9.2.1封闭腔模型及162.两黑体表面封闭系统的辐射传热垂直方向无限延伸——二维系统净辐射传热量：——两表面势差——空间辐射热阻2.两黑体表面封闭系统的辐射传热垂直方向无限延伸——二维系179.2.2有效辐射1.有效辐射的定义投入辐射：单位时间，投入到单位表面积上的总辐射能。有效辐射：单位时间，离开表面单位表面积的总辐射能。注意：两者都为总辐射能，包括自身辐射和反射。对辐射特性为常数的表面1：9.2.2有效辐射1.有效辐射的定义投入辐射182.有效辐射与辐射传热量的关系从外部：传热量从内部：传热量消去，并且：——表面势差——表面辐射热阻注意：①同一表面，省去角标；②放热为正值。2.有效辐射与辐射传热量的关系从外部：传热量从内部：传199.2.3两个漫灰表面组成的封闭腔的辐射传热假定：漫灰表面，垂直方向无限延伸两表面之间的辐射传热量：表面1和表面2辐射：，封闭腔能量守恒：9.2.3两个漫灰表面组成的封闭腔的辐射传热假定：漫灰表20解得：——表面势差——各环节热阻改写：注：——系统发射率，反映多次反射与吸收对传热的影响。解得：——表面势差——各环节热阻改写：注：——系21三种特殊情形：①表面1为非凹表面：②无限大平行平板：，三种特殊情形：①表面1为非凹表面：②无限大平行平板：22③表面1为非凹表面，并且：，注：测量黑度实验。③表面1为非凹表面，并且：，注23P408例题9-2液氧储存容器为双壁镀银的夹层结构，外壁内表面温度tw1=20oC，内壁外表面温度tw2=－183oC，镀银壁的发射率ε=0.02。试计算由于辐射传热每单位面积容器壁的散热量。解：无限大平行平板P408例题9-2液氧储存容器为双壁镀银的夹层结构，24P409例题9-3一根直径d=50mm、长度l=8m的钢管，被置于横断面为0.2m×0.2m的砖槽道内。若钢管温度和发射率分别为t1=250oC、ε1=0.79，砖槽壁面温度和发射率分别为t2=27oC、ε2=0.93，试计算该钢管的辐射散热损失。解：，可看成封闭系统钢管为非凹表面：P409例题9-3一根直径d=50mm、长度l=8m25P410例题9-4一直径d=0.75m的圆筒形埋地式加热炉采用电加热方法加热，如图。在操作过程中需要将炉子顶盖移去一段时间，设此时筒身温度为500K，筒底为650K。环境温度为300K。试计算顶盖移去期间单位时间内的热损失。设筒身及底部均可作为黑体。解：侧面和底面为黑体，开口辐射会被外界全部吸收，也为黑体，三个表面组成黑体封闭系统。①侧面对开口的辐射：②底面对开口的辐射：P410例题9-4一直径d=0.75m的圆筒形埋地式26角系数计算：底面对开口：底面对侧面：侧面对开口：角系数计算：底面对开口：底面对侧面：侧面对开口：279.3.1两表面换热系统的辐射网络1.一个灰体表面多表面系统：封闭系统，一个表面与多个表面有辐射传热。9.3多表面系统的辐射传热——电势差——表面热阻式中，——源电势；——节点电势。仿照电学，等效网络图：9.3.1两表面换热系统的辐射网络1.一个灰体表面多表282.两个灰体表面——电势差——空间热阻等效网络图：2.两个灰体表面——电势差——空间热阻等效网络图：293.两个灰体表面组成的封闭系统等效网络图：3.两个灰体表面组成的封闭系统等效网络图：309.3.2多表面封闭系统网络法求解的实施步骤（1）画出等效的网络图①每个表面：源电势，②两表面间：空间热阻。表面热阻，节点电势；注意：9.3.2多表面封闭系统网络法求解的实施步骤（1）画出等31（2）列出节点的电流方程（基尔霍夫定律）（2）列出节点的电流方程32（3）解方程组，可得表面有效辐射、、；（4）求出每个表面的净辐射传热量9.3.3三表面封闭系统的两种特殊情形（1）一个表面为黑体：（3）解方程组，可得表面有效辐射、、33（2）一个表面绝热：，（温度未知）重辐射面：温度未知。例如锅炉的耐火墙。（2）一个表面绝热：，（温度未知）重辐射34三个表面的封闭系统，其中有重辐射面：三个表面的封闭系统，其中有重辐射面：35P415例题9-5两块尺寸为1m×2m、间距为1m的平行平板置于室温t3=27oC的大厂房内。平板背面不参与换热。已知两板的温度和发射率分别为t1=827oC、t2=327oC和ε1=0.2、ε2=0.5，试计算每块板的净辐射散热量及厂房墙壁所得到的辐射热量。解：三个灰体表面组成封闭系统。厂房面积较大：，P415例题9-5两块尺寸为1m×2m、间距为1m的36①角系数：②热阻：，，，①角系数：②热阻：37③源点电势：④电流方程：③源点电势：④电流方程：38⑤辐射传热量：⑤辐射传热量：39P417例题9-6假设例题9-5重大房间的墙壁为重辐射表面，在其他条件不变时，试计算温度较高表面的净辐射散热量。解：厂房墙壁为绝热表面：，但未知。，P417例题9-6假设例题9-5重大房间的墙壁为重辐40并联部分等效热阻为：总热阻为：净辐射散热量为：并联部分等效热阻为：总热阻为：净辐射散热量为：419.4气体辐射的特点及计算透明气体：分子结构对称的双原子气体，空气、氢气等。辐射气体：分子结构不对称的双原子气体、多原子气体，水蒸气、二氧化碳、二氧化硫、一氧化碳、臭氧、甲烷等。燃烧产物常含有水蒸汽、二氧化碳，重点介绍其辐射。9.4.1气体辐射的特点1.气体辐射对波长具有选择性光带：气体辐射对波长具有强烈的选择性。气体在某些波长区段具有较强的辐射和吸收能力，这些波长区段被称为光带。光带以外，气体是透明体。9.4气体辐射的特点及计算透明气体：分子结构对称的双原子42①臭氧：全部吸收波长小于的紫外线；②CO2：、、③H2O：、、①臭氧：全部吸收波长小于的紫外线；②432.气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的投射到气体界面上的辐射能，在辐射行程中被吸收减弱。即气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的，与形状和容积有关。讨论气体的辐射和吸收时，必须说明气体所处容器的形状和大小。2.气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的投射到气体界面上的449.4.2光谱辐射能在气层中的定向传播处，投入辐射的光谱辐射强度为通过距离后，光谱辐射强度变为取微元气体层：温度和压力为常数时，光谱减弱系数不变：——贝尔定律9.4.2光谱辐射能在气层中的定向传播处，45——为厚度为的气体层的单色穿透比对于气体，反射比：注：气体层较厚时，。将基尔霍夫定律应用于光谱辐射：注意：光谱减弱系数取决于气体的种类、密度和波长。——为厚度为的气体层的单色穿透比469.4.3平均射线程长的计算气体具有容积辐射的特点，即容积内每一点都发出辐射。气体容积的形状和尺寸不同，射线行程的长度（射线程长）不同。当量半球：在相同条件下，半球内气体对球心的辐射力，等于实际气体对指定区域的辐射力。当量半球半径：用当量半球的半径表示平均射线程长。9.4.3平均射线程长的计算气体具有容积辐射的特点，即容479-39-3489.5辐射传热的控制（强化和削弱）9.5辐射传热的控制（强化和削弱）49第9章辐射传热计算课件50第9章辐射传热计算课件51第9章辐射传热计算课件52第9章辐射传热计算课件53第9章辐射传热计算课件54第9章辐射传热的计算9.1辐射传热的角系数9.1.1角系数的定义及计算假定两表面间的辐射传热与相对位置有关。两种极限情形：定义，角系数：即表面1发出的辐射能中，落到表面2上的百分比。第9章辐射传热的计算9.1辐射传热的角系数9.1.155简化讨论，假设：①表面为漫射表面（各方向均匀辐射）；②表面上各点均匀辐射（）。因此：角系数是几何因子，与表面温度、发射率无关。后面的讨论，都假设为黑体，也适用于漫灰表面。简化讨论，假设：①表面为漫射表面（各方向均匀辐射）；②表569.1.2角系数的性质1.角系数的相对性（1）两个微元表面和（黑体）对应的立体角：方向可见辐射面积：9.1.2角系数的性质1.角系数的相对性（1）两个微57同理：同理：58（2）两个有限表面与（黑体）换热量：热平衡时：，（2）两个有限表面与（黑体）换热量：592.角系数的完整性对封闭系统：注意：①表面1为凸表面②表面1为凹表面2.角系数的完整性对封闭系统：注意：603.角系数的可加性（1）表面1对表面2的辐射即：角系数的第二个角标，具有可加性。（2）表面2对表面1的辐射3.角系数的可加性（1）表面1对表面2的辐射即：角619.1.3角系数的计算方法1.直接积分法两微元表面和：9.1.3角系数的计算方法1.直接积分法两微元表面62第9章辐射传热计算课件63第9章辐射传热计算课件64第9章辐射传热计算课件652.代数分析法（1）三个凸表面，垂直方向无限延伸——封闭系统完整性：相对性：解方程，可得6个角系数：垂直方向长度相同：（为辐射面长度）2.代数分析法（1）三个凸表面，垂直方向无限延伸——封闭系66（2）两个不相交凸表面，垂直方向无限延伸与侧面一起构成封闭系统完整性：封闭系统abc：封闭系统abd：解得：（2）两个不相交凸表面，垂直方向无限延伸与侧面一起构成封闭系67P404例题9-1试确定如图所示的表面1对表面2的角系数X1,2。解：①表面2对表面A，，，②表面2对表面（1+A），，，P404例题9-1试确定如图所示的表面1对表面68③由可加性：由相对性：③由可加性：由相对性：699.2两表面封闭系统的辐射传热9.2.1封闭腔模型及两黑体表面组成的封闭腔注：两表面之间为真空或透热介质（如空气）1.封闭腔模型一个表面的辐射传热涉及：

①表面发出的辐射能（自身表面）；②投入到表面的辐射能（周围环境中的表面）。封闭腔：所研究的表面与周围环境中的各表面组成封闭系统。例如：两个无限接近的平行板。9.2两表面封闭系统的辐射传热9.2.1封闭腔模型及702.两黑体表面封闭系统的辐射传热垂直方向无限延伸——二维系统净辐射传热量：——两表面势差——空间辐射热阻2.两黑体表面封闭系统的辐射传热垂直方向无限延伸——二维系719.2.2有效辐射1.有效辐射的定义投入辐射：单位时间，投入到单位表面积上的总辐射能。有效辐射：单位时间，离开表面单位表面积的总辐射能。注意：两者都为总辐射能，包括自身辐射和反射。对辐射特性为常数的表面1：9.2.2有效辐射1.有效辐射的定义投入辐射722.有效辐射与辐射传热量的关系从外部：传热量从内部：传热量消去，并且：——表面势差——表面辐射热阻注意：①同一表面，省去角标；②放热为正值。2.有效辐射与辐射传热量的关系从外部：传热量从内部：传739.2.3两个漫灰表面组成的封闭腔的辐射传热假定：漫灰表面，垂直方向无限延伸两表面之间的辐射传热量：表面1和表面2辐射：，封闭腔能量守恒：9.2.3两个漫灰表面组成的封闭腔的辐射传热假定：漫灰表74解得：——表面势差——各环节热阻改写：注：——系统发射率，反映多次反射与吸收对传热的影响。解得：——表面势差——各环节热阻改写：注：——系75三种特殊情形：①表面1为非凹表面：②无限大平行平板：，三种特殊情形：①表面1为非凹表面：②无限大平行平板：76③表面1为非凹表面，并且：，注：测量黑度实验。③表面1为非凹表面，并且：，注77P408例题9-2液氧储存容器为双壁镀银的夹层结构，外壁内表面温度tw1=20oC，内壁外表面温度tw2=－183oC，镀银壁的发射率ε=0.02。试计算由于辐射传热每单位面积容器壁的散热量。解：无限大平行平板P408例题9-2液氧储存容器为双壁镀银的夹层结构，78P409例题9-3一根直径d=50mm、长度l=8m的钢管，被置于横断面为0.2m×0.2m的砖槽道内。若钢管温度和发射率分别为t1=250oC、ε1=0.79，砖槽壁面温度和发射率分别为t2=27oC、ε2=0.93，试计算该钢管的辐射散热损失。解：，可看成封闭系统钢管为非凹表面：P409例题9-3一根直径d=50mm、长度l=8m79P410例题9-4一直径d=0.75m的圆筒形埋地式加热炉采用电加热方法加热，如图。在操作过程中需要将炉子顶盖移去一段时间，设此时筒身温度为500K，筒底为650K。环境温度为300K。试计算顶盖移去期间单位时间内的热损失。设筒身及底部均可作为黑体。解：侧面和底面为黑体，开口辐射会被外界全部吸收，也为黑体，三个表面组成黑体封闭系统。①侧面对开口的辐射：②底面对开口的辐射：P410例题9-4一直径d=0.75m的圆筒形埋地式80角系数计算：底面对开口：底面对侧面：侧面对开口：角系数计算：底面对开口：底面对侧面：侧面对开口：819.3.1两表面换热系统的辐射网络1.一个灰体表面多表面系统：封闭系统，一个表面与多个表面有辐射传热。9.3多表面系统的辐射传热——电势差——表面热阻式中，——源电势；——节点电势。仿照电学，等效网络图：9.3.1两表面换热系统的辐射网络1.一个灰体表面多表822.两个灰体表面——电势差——空间热阻等效网络图：2.两个灰体表面——电势差——空间热阻等效网络图：833.两个灰体表面组成的封闭系统等效网络图：3.两个灰体表面组成的封闭系统等效网络图：849.3.2多表面封闭系统网络法求解的实施步骤（1）画出等效的网络图①每个表面：源电势，②两表面间：空间热阻。表面热阻，节点电势；注意：9.3.2多表面封闭系统网络法求解的实施步骤（1）画出等85（2）列出节点的电流方程（基尔霍夫定律）（2）列出节点的电流方程86（3）解方程组，可得表面有效辐射、、；（4）求出每个表面的净辐射传热量9.3.3三表面封闭系统的两种特殊情形（1）一个表面为黑体：（3）解方程组，可得表面有效辐射、、87（2）一个表面绝热：，（温度未知）重辐射面：温度未知。例如锅炉的耐火墙。（2）一个表面绝热：，（温度未知）重辐射88三个表面的封闭系统，其中有重辐射面：三个表面的封闭系统，其中有重辐射面：89P415例题9-5两块尺寸为1m×2m、间距为1m的平行平板置于室温t3=27oC的大厂房内。平板背面不参与换热。已知两板的温度和发射率分别为t1=827oC、t2=327oC和ε1=0.2、ε2=0.5，试计算每块板的净辐射散热量及厂房墙壁所得到的辐射热量。解：三个灰体表面组成封闭系统。厂房面积较大：，P415例题9-5两块尺寸为1m×2m、间距为1m的90①角系数：②热阻：，，，①角系数：②热阻：91③源点电势：④电流方程：③源点电势：④电流方程：92⑤辐射传热量：⑤辐射传热量：93P417例题9-6假设例题9-5重大房间的墙壁为重辐射表面，在其他条件不变时，试计算温度较高表面的净辐射散热量。解：厂房墙壁为绝热表面：，但未知。，P417例题9-6假设例题9-5重大房间的墙壁为重辐94并联部分等效热阻为：总热阻为：净辐射散热量为：并联部分等效热阻为：总热阻为：净辐射散热量为：959.4气体辐射的特点及计算透明气体：分子结构对称的双原子气体，空气、氢气等。辐射气体：分子结构不对称的双原子气体、多原子气体，水蒸气、二氧化碳、二氧化硫、一氧化碳、臭氧