辐射传热的计算

辐射传热的计算第1页，课件共79页，创作于2023年2月

基本要求1．掌握辐射角系数的定义、特性及常用计算方法，并能针对实际情况计算角系数2．能进行两表面系统的辐射传热计算3．能针对实际辐射传热系统熟练绘制辐射网络图，并能应用网络法进行多表面系统的辐射传热计算4．了解辐射性气体与非辐射性气体的概念、气体辐射的特点5．能进行辐射传热过程强化与削弱的分析(包括进行有遮热板的辐射传热系统)第2页，课件共79页，创作于2023年2月

主要内容重点：固体表面间辐射传热的计算◆角系数的定义、性质及计算◆两表面封闭系统的辐射传热1、两黑体间的辐射传热2、由两个等温的漫灰表面组成的封闭系统的辐射传热◆多表面系统的辐射传热◆辐射传热的强化与削弱◆综合传热问题分析第3页，课件共79页，创作于2023年2月

9.1辐射传热的角系数——辐射换热计算的基础一、角系数的定义

二、角系数的特性：相对性、完整性、可加性三、角系数的计算：直接积分法、代数分析法、几何分析法、形状分解法第4页，课件共79页，创作于2023年2月9.1.1角系数的定义及计算假定假定：(1)所研究表面是漫射的(2)在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定义:表面i发出的辐射能中落到表面j上的百分数，称为表面i对表面j的角系数，记为Xi，j角系数是一纯几何因子第5页，课件共79页，创作于2023年2月9.1.2角系数的性质—相对性、完整性、可加性1.角系数的相对性：第6页，课件共79页，创作于2023年2月2、角系数的完整性：对于图示由n个表面所组成的封闭系统，有：其中：对于平面或凸面，Xi，i=0对于凹面，Xi，i≠0第7页，课件共79页，创作于2023年2月3、角系数的可加性：广义形式：第8页，课件共79页，创作于2023年2月9.1.3角系数的计算方法1、直接积分法（数学分析法）——直接利用角系数的定义，得几种典型三维几何体系的角系数线算图见399，P400；相应的角系数计算公式见P402表9-2；某些二维结构的角系数计算公式见P401表9-1(9-6)其结果用线算图表示。第9页，课件共79页，创作于2023年2月2、代数分析法*——利用角系数的三个性质求解

结果：(1)三角形法条件：a.三个表面均为非凹表面；b.垂直于纸面方向为足够长第10页，课件共79页，创作于2023年2月结果：(2)交叉线法条件：a.二个表面均为非凹表面；b.垂直于纸面方向为足够长第11页，课件共79页，创作于2023年2月3、根据已知几何关系的角系数,推出其他几何关系的角系数----也称形状分解法关键：实例：例题9-1第12页，课件共79页，创作于2023年2月4、几种特殊几何关系的角系数(2)两平行大平板：(1)包容关系（1是被包物体——凸面）第13页，课件共79页，创作于2023年2月相对性可加性其中，X2,（1+A）、X2,A可由线算图查得；A1、A2已知P404例9-1：求角系数X1，2第14页，课件共79页，创作于2023年2月例：求锅炉炉堂内火焰对水冷壁管的角系数第15页，课件共79页，创作于2023年2月第16页，课件共79页，创作于2023年2月9.2两表面封闭系统的辐射传热▲黑体间的辐射传热▲两个漫灰表面组成的封闭腔的辐射传热1、两个概念：有效辐射、投入辐射2、辐射换热计算公式前提：固体表面间的介质对热辐射透明(透热介质)第17页，课件共79页，创作于2023年2月9.2.1两黑体表面组成的封闭腔的辐射传热1.封闭腔模型在辐射传热计算中,计算对象必须是包含所研究表面在内的一个封闭腔。该封闭腔的表面可以是真实的，也可以部分是虚构的。这样，在计算任何一个表面与外界之间的辐射传热时，可保证把由该表面向空间各个方向发射出去的辐射能及由空间各个方向投入到该表面的辐射能均包括进去。第18页，课件共79页，创作于2023年2月角系数的相对性单位时间内从表面1上发出到达表面2的辐射能：单位时间内从表面2上发出到达表面1的辐射能：2.两黑体表面封闭系统的辐射传热第19页，课件共79页，创作于2023年2月灰体间辐射传热的特点：存在多次吸收和反射过程两无限大灰体平行平板间的多次反射和吸收过程9.2.2有效辐射第20页，课件共79页，创作于2023年2月1.有效辐射的定义

有效辐射J——在单位时间内离开表面单位表面积的总辐射能，称为该表面的有效辐射

投入辐射G——单位时间内投射到单位表面积上的总辐射能，称为对该表面的投入辐射假定:表面温度均匀,且发射特性和吸收特性是常数第21页，课件共79页，创作于2023年2月2.有效辐射与辐射传热量的关系(参见右图)：注：考虑到表面1的任意性，后两式中已删除了下角码“1”表面1的能量收支差额为：或：或：第22页，课件共79页，创作于2023年2月9.2.3两个漫灰表面组成的封闭腔的辐射传热将式（9-12）分别应用于表面1、2，有：参照黑体公式(9-11),对于两灰体表面间的辐射传热有：第23页，课件共79页，创作于2023年2月上面三式联立求解（），解得：

式中，称为系统发射率(其值与辐射传热系统的组合有关,≤1)第24页，课件共79页，创作于2023年2月特例（简化）：1、表面1为非凹表面，X1，2=1。则：其中，系统黑度为：2、典型实例：热水瓶胆、贮液容器、双层玻璃窗等等第25页，课件共79页，创作于2023年2月3、典型实例：放置于大房间内的小物体（如高温管道）与房间壁间的辐射传热；热电偶节点（或其他温度计的温包）与管壁间的辐射传热；厂房内设备的辐射散热；锅炉观察窗与炉膛壁间的辐射传热，…等等。第26页，课件共79页，创作于2023年2月例：q、Φ的计算（P408--410）例9-2：液氮储存容器单位面积散热量q的计算——简化成两无限大平行平板处理例9-3：置于方形砖槽道内的钢管辐射热损失Φ的计算——直接用公式（9-15）或近似采用A1/A2≈0模型第27页，课件共79页，创作于2023年2月例9-4：圆筒形埋地式加热炉热损失Φ的计算*（同类型问题：热金属板中的孔壁对外辐射）处理方法：(1)将开口看作温度为环境温度的黑体(2)温度、黑度条件相同且相连的内表面作为一个表面处理

→三个等温黑表面组成的封闭腔辐射第28页，课件共79页，创作于2023年2月9.3多表面系统的辐射传热2、计算方法：

网络法*——把辐射热阻比拟成等效的电阻，从而通过等效的网络图来求解辐射传热数值法（原理同导热问题的数值计算）1、本节讨论重点：某一表面的净辐射传热量的计算——工程计算的主要目的某一表面的净辐射传热量——为该表面与其余各表面分别传热的传热量之和第29页，课件共79页，创作于2023年2月9.3.1两表面换热系统的辐射网络1、表面网络单元由式（9-12）得：式中：

称为表面辐射热阻，Rs（由表面的非黑性引起）特例：①黑体，ε=1，∴Rs=0，Eb=J；②大表面(A很大)，Rs≈0，Eb≈J第30页，课件共79页，创作于2023年2月等效电路图：第31页，课件共79页，创作于2023年2月2、空间网络单元由式（d）：得：式中：称为表面1,2间的空间辐射热阻，RP第32页，课件共79页，创作于2023年2月等效电路图：第33页，课件共79页，创作于2023年2月(1)画出等效的辐射网络图，并求出各热阻值及与各表面温度对应的Eb值；(2)列出各节点的节点电流方程（依据：直流电路中的基尔霍夫定律），得一代数方程组；(3)求解上述代数方程(组)，得各节点电势值Ji*；

(4)计算辐射传热量。其中：9.3.2多表面封闭系统辐射网络法求解步骤第34页，课件共79页，创作于2023年2月(1)分析辐射换热系统的换热情况，确定参与换热的表面个数，并进行编号；(2)画出节点（每一换热表面为一个节点），并依次标为J1、J2、J3、……等等；(3)逐个分析换热表面的特性，确定表面热阻：表面为黑体时，表面热阻为零，J=Eb；大表面的表面热阻趋近于零，J≈Eb；(4)逐个分析两两表面间的换热情况，确定空间热阻：如两表面可见，则在该两表面间连一空间热阻；如两表面不可见，则不连空间热阻(断开)。辐射网络图的画法第35页，课件共79页，创作于2023年2月（1）二个灰体表面间的辐射换热网络图：辐射网络图画法举例：J1J2Eb1Eb2Φ1,2第36页，课件共79页，创作于2023年2月（2）三个灰体表面间的辐射换热网络图：第37页，课件共79页，创作于2023年2月（3）四个灰体表面间的辐射换热网络图第38页，课件共79页，创作于2023年2月9.3.3三表面封闭系统中的几个特例(三元方程简化为二元方程)(1)其中一个表面为黑体表面热阻为：(3)其中一个表面绝热（重辐射面），则

将节点3作浮动节点（普通节点）处理(2)其中一个表面为大表面，则表面热阻为：

第39页，课件共79页，创作于2023年2月注意(a)(b)两种情况的差别第40页，课件共79页，创作于2023年2月对于(b)或(c),有第41页，课件共79页，创作于2023年2月例9-5：两块温度、黑度、尺寸及间距一定的平行平板置于温度恒定的大房间内(平板背面不参与换热)求：(1)每板的净辐射散热量(2)厂房墙壁得到的辐射热量分析：板1、2为灰表面，厂房3为灰表面（大表面，表面热阻可视为零）第42页，课件共79页，创作于2023年2月

例9-6：大房间的墙壁为重辐射面，其他同例9-5求：温度较高表面的净辐射散热量即求注意：1、多表面系统表面的划分依据：以热边界条件为主（不应纯按几何面划分）2、前面讨论问题均为第一类边界条件；其他边界条件下的求解及结果可参见文献[1、2]3、计算中应注意有效数字的位数，特别是在求各节点的有效辐射Ji时。第43页，课件共79页，创作于2023年2月例9-7：辐射采暖房间，顶棚设置加热器求：(1)顶棚总辐射热量(2)其他表面的净辐射换热量——注意表面的划分方法问题类型：四个灰体表面组成的封闭腔的辐射换热问网络图其中:1(顶棚)--加热面2,3—侧墙4——地板第44页，课件共79页，创作于2023年2月9-4气体辐射的特点（简介）常见的辐射性气体：三原子气体、多原子气体、

结构不对称的双原子气体(如CO)非辐射性气体(热辐射的透明体)：结构对称的双原子气体辐射性气体——具有发射和吸收辐射能的能力的气体第45页，课件共79页，创作于2023年2月9.4.1气体辐射的特点：1.

气体辐射对波长有(强烈的)选择性只在某些波长区段内具有辐射能力,相应地也只在同样的波长区段内才具有吸收能力辐射性气体的光带见P420图9-27第46页，课件共79页，创作于2023年2月第47页，课件共79页，创作于2023年2月2.气体的辐射和吸收在整个容积中进行

就吸收而言,投射到气体层界面上的辐射能通过吸收性气体层时，在辐射行程中被气体吸收而减弱;就辐射而言,气体层界面上所感受到的辐射为到达界面上的整个容积中的气体的辐射.

被辐射性气体（吸收性介质）所隔开的两表面间的辐射换热计算略.第48页，课件共79页，创作于2023年2月9.5辐射传热的控制(强化与削弱)要求：了解强化与削弱辐射传热的基本方法及其工程应用9.5.1控制物体表面间辐射传热的基本方法(前提:冷、热表面温度一定,即Eb1、Eb2一定)控制表面热阻控制空间热阻第49页，课件共79页，创作于2023年2月1.控制表面热阻(1)改变表面积A(2)改变换热表面的发射率*首先改变对辐射传热影响最大的那一表面的发射率(即串联环节中表面热阻最大的表面)；当辐射传热同时涉及温度较低的红外辐射与温度较高的太阳辐射时,控制红外辐射的发射率与对太阳辐射的吸收比应同时入手.应用实例:太阳能集热器中的选择性涂层要求:红外辐射的发射率ε尽可能地小,对太阳辐射的吸收比αs尽可能地大.第50页，课件共79页，创作于2023年2月2.控制空间热阻(1)改变表面积A(2)改变两表面的布置以改变角系数*如对于两无限大平板，平行放置时的角系数最大应用实例:送风式电子器件机箱中的元件布置第51页，课件共79页，创作于2023年2月

特征：遮热板在整个辐射传热系统中并不放出或带走任何热量，只是在热流通路中另外添加了阻力，使得整个传热过程受到阻碍，即阻隔辐射传热。9.5.2遮热板的原理及应用——在辐射传热系统中插在两个辐射传热表面之间的、用来阻挡(减弱)辐射传热的薄板遮热板第52页，课件共79页，创作于2023年2月1、遮热原理分析——主要掌握分析方法例：在两块无限大平行平板间插入一块面积也是无限大的遮热板(如图)。假定α1=α2=α3=α，且三块板都是灰体(α=ε)关键：在热稳态情况下有q1,3=q3,2=q1,2第53页，课件共79页，创作于2023年2月推导过程由式（9-16）得：利用热稳态条件q1,3=q3,2=q1,2，从上面两式消去Eb3后可解得：

上式中，q1,2(0)为无遮热板时表面1，2间的辐射传热量第54页，课件共79页，创作于2023年2月附：加一块遮热板，但三板黑度不同(仍都为灰体)时利用热稳态条件从上面两式可解得：消去Eb3后得：ε1=ε2=ε3=ε时即为前式}第55页，课件共79页，创作于2023年2月结论在两黑度相同的平行平板间加入黑度相同的

n块遮热板，其辐射传热量将减小为原来的1/(n+1)。所加遮热板的黑度越小、遮热板块数越多，遮热效果越明显第56页，课件共79页，创作于2023年2月汽轮机中,用于减少内、外套管间的辐射传热用于低温容器（杜瓦瓶）隔热保温；用于超级隔热油管；用于提高测温准确度。如：遮热罩抽气式热电偶(可减少测温误差)……等等。2.遮热板的应用实例第57页，课件共79页，创作于2023年2月第58页，课件共79页，创作于2023年2月第59页，课件共79页，创作于2023年2月第9-6节传热问题综合分析

——提出问题、作出假设、建立模型、理论求解实例：1、炉膛辐射热流密度的测定2、遮热罩抽气式热电偶测温3、轿车后窗玻璃的热分析第60页，课件共79页，创作于2023年2月9.6.1炉膛辐射热流密度的简易测定方法第61页，课件共79页，创作于2023年2月假定：(1)过桥的导热系数为常数；(2)忽略过桥背火面与炉墙间的辐射传热；(3)火焰对过桥表面的辐射热流均匀；(4)辐射热流一经表面吸收即成为平行于过桥壁面而向两侧传导的导热热流；(5)过桥表面温度远低于火焰温度；(6)忽略过桥表面与烟气间的对流传热。第62页，课件共79页，创作于2023年2月热平衡关系：求解结果：第63页，课件共79页，创作于2023年2月9.6.2遮热罩抽气式热电偶测温(1)裸露热电偶测温：当q1=q2时，热电偶达到某平衡温度t1’(＜tf)第64页，课件共79页，创作于2023年2月(2)加遮热罩后遮热罩温度t3＞tw，热平衡关系为：第65页，课件共79页，创作于2023年2月

P436例：热电偶测温问题计算无罩时：测温绝对误差206.2℃测温相对误差20.7%有罩时:测温绝对误差48.8℃测温相对误差4.88%第66页，课件共79页，创作于2023年2月轿车后窗玻璃的热分析第67页，课件共79页，创作于2023年2月假设：(1)内热源（电热丝产热）均匀；(2)玻璃中的导热过程为一维稳定过程；(3)内侧复合表面传热系数ht,i与外侧表面传热系数h0均已知热平衡关系：第68页，课件共79页，创作于2023年2月9.6.3辐射传热系数定义：即：称为辐射传热表面传热系数简称辐射传热系数，其值与系统情况有关对于同时存在对流与辐射的综合过程，即有：ht称为复合传热表面传热系数第69页，课件共79页，创作于2023年2月1、角系数的定义2、角系数的特性：3、角系数的计算：相对性、完整性、可加性直接积分法(线算图)；代数分析法(三解形法、交叉线法)；形状分解法；几种典型几何关系的角系数：包容关系(X1,2=1)、两平行大平板(X1,2=X2,1=1)第9章小结

一、角系数的定义、性质及其计算第70页，课件共79页，创作于2023年2月9.2两表面封闭系统的辐射传热一、黑体间的辐射换热关键：角系数的计算二、由两个等温的漫灰表面组成的封闭系统的辐射换热1、有效辐射与投入辐射的概念2、辐射换热计算公式第71页，课件共79页，创作于2023年2月几个特例（简化）：1、表面1为非凹表面，X1，2=1:2、典型实例：热水瓶胆、贮液容器、双层玻璃窗等3、第72页，课件共79页，创作于2023年2月9.3多表面系统的辐射传热---