輻射傳熱的計算

輻射傳熱,內(nèi)容要求熱輻射的基本概念黑體輻射的基本定律掌握輻射傳熱的角系數(shù)；兩表面封閉系統(tǒng)的輻射傳熱；多表面系統(tǒng)的輻射傳熱；輻射傳熱的控制；綜合傳熱問題分析。,輻射傳熱,熱輻射的基本概念,一、熱輻射本質(zhì),1、基本概念輻射：物體以電磁波向外傳遞能量的現(xiàn)象。熱輻射:由于物體內(nèi)部微觀粒子的熱運動狀態(tài)改變，而將部分內(nèi)能轉(zhuǎn)換成電磁波的能量發(fā)射出去的過程。電磁波落到物體上，一部分被物體吸收，將電磁波的能量重新轉(zhuǎn)換成內(nèi)能。,2、特點：,不需要物體直接接觸?？稍谡婵罩袀鬟f(最有效）有能量的轉(zhuǎn)化。輻射：輻射體內(nèi)熱能輻射能吸收：輻射能受射體內(nèi)熱能只要T0K,就有能量輻射。高溫物體低溫物體雙向輻射熱能物體的輻射能力與絕對溫度的四次方成正比。電磁波遵循c=規(guī)律,3、電磁波譜,由于起因不同，物體發(fā)出電磁波的波長也同。熱輻射的波長主要位于0.101000m的范圍內(nèi)。熱射線：熱輻射產(chǎn)生的電磁波,工業(yè)上一般物體(T800K)，可見光份額才有所升高。常溫下，實際物體的輻射主要是紅外輻射。,三、維恩位移定律(1893年),應(yīng)用舉例,思考1、一鐵塊放入高溫爐中加熱，從輻射的角度分析鐵塊的顏色變化過程,？,用它可測定太空星體表面溫度，也可用來選擇對特定地物的監(jiān)測波段，如火災(zāi)檢測。,2、黑體一定是黑色的嗎？,3、節(jié)能燈原理？,三、Stefan-Boltzmann定律,式中，=5.6710-8W/(m2K4)，是斯蒂芬-波爾茲曼常數(shù)。,描述了黑體輻射力隨表面溫度的變化規(guī)律。,1879年Stefan實驗，1884年Boltzman熱力學理論得出；將PlanksLaw積分即得。,黑體輻射函數(shù),定義：在0的波長范圍內(nèi)黑體發(fā)出的輻射能在其輻射力中所占份額。圖中的在1和2之間的線下面積。黑體在波長1和2區(qū)段內(nèi)所發(fā)射的輻射力：,黑體輻射函數(shù),定義：在0的波長范圍內(nèi)黑體發(fā)出的輻射能在其輻射力中所占份額，F(xiàn)b(0)。,將Eb用普朗克定律代入得：,波段輻射力:,在12的波長范圍黑體的波段輻射函數(shù)為：,黑體輻射函數(shù),四、Lambert定律,可以證明：黑體輻射的定向輻射強度與方向無關(guān)。,它說明黑體的定向輻射力隨天頂角呈余弦規(guī)律變化。Lambert定律也稱為余弦定律。黑體輻射能在空間不同方向上的分布不均勻：法向最大，切向最?。榱悖?注意：1）對服從Lambert定律的表面，輻射強度與輻射力的關(guān)系。2）定向輻射強度與方向無關(guān)的表面漫射表面3）對黑體輻射強度的理解：相當于“燈泡亮度”，即從不同方向看過去，其亮度都是一樣的。,黑體輻射定律小結(jié)、Stefan-Boltzmann定律：描述黑體在某一溫度下向半球空間所有方向輻射的全部波長的能量，即對方向和波長都積分的結(jié)果。、Planck定律：描述黑體在某一溫度下向半球空間所有方向輻射的能量沿波長分布的規(guī)律，即只對方向積分，但研究的是某一波長。、Lambert定律：描述黑體在某一溫度下所輻射的全部波長的能量沿半球空間方向上的分布規(guī)律，即只對波長積分，但研究的是某一方向。對黑體而言，輻射強度是常數(shù)。,輻射傳熱的角系數(shù),假設(shè),進行輻射換熱的物體表面之間是不參與輻射換熱的介質(zhì)或真空；參與輻射換熱的物體表面為漫射灰體或黑體表面；每個物體的溫度，輻射特性及投入輻射分布均勻。,角系數(shù),1.角系數(shù)的定義,表面1對表面2的角系數(shù)：,表面2對表面1的角系數(shù)：,或：,幾何量,角系數(shù)的性質(zhì),1.非自見面的角系數(shù)等于0。,2.角系數(shù)的相對性,根據(jù)角系數(shù)的定義：,則有：,3.角系數(shù)的完整性,封閉空腔中：,或：,兩表面組成封閉空腔：,多表面組成封閉空腔：,4.角系數(shù)的可加性,求解：組合面A（1+2）對面A3的輻射角系數(shù)。,即是：,又由角系數(shù)的相對性：,因此：,角系數(shù)的計算,1.兩面封閉系統(tǒng),兩平行大平面：,兩個面都是自見面：,有一個面為非自見面：,解：根據(jù)角系數(shù)的完整性：,又由角系數(shù)的相對性：,A3,解：作輔助面A3（非自見面）：,則：,由角系數(shù)的相對性：,2.三個非凹表面組成封閉系統(tǒng),3.交叉線法,輔助線,解：封閉空腔abcd中:,封閉空腔abc，abd中:,因此：,兩表面封閉系統(tǒng)的輻射換熱,1.任意位置的兩黑體表面。,兩黑體表面間的凈輻射換熱量：,或：,一黑體表面間的輻射換熱,2.多個黑體組成的封閉空腔。,表面1對其它表面的輻射換熱：,或：,第i個黑體表面的輻射換熱量：,二漫灰表面間的輻射換熱,1.有效輻射,設(shè)有一漫灰表面A，=。,與表面A有關(guān)的能量有：,投入輻射G,吸收輻射G,反射輻射G,自身輻射（輻射力）E=Eb,有效輻射J,或：,合成輻射（凈輻射熱流）,或：,兩式聯(lián)立，消去G，且=。,對黑體表面：,得：,三兩漫灰表面間的輻射換熱,1.兩漫灰表面構(gòu)成封閉空腔，且T1T2：,分析,因此A1和A2的凈輻射熱量：,即是：,A3,同時,A1的凈輻射熱量：,A2的凈輻射熱量：,換熱系統(tǒng)熱平衡時：,將(a),(b),(c)相加，消去J1，J2得：,A3,或：,兩漫灰表面間的輻射換熱網(wǎng)絡(luò)圖,系統(tǒng)黑度：,2.兩漫灰表面間輻射換熱的幾種簡化形式：,A1面為非自見面：,由：,得：,兩個無限大平板間輻射換熱：,由：,得：,兩表面相差很大（大房間內(nèi)小物體的輻射換熱）,得：,由,9.3多表面系統(tǒng)的輻射換熱,輻射換熱網(wǎng)絡(luò)求解法：應(yīng)用有效輻射的概念，將輻射換熱系統(tǒng)模擬成相應(yīng)的電路系統(tǒng)，借助于電學中基爾霍夫電流定律求解該系統(tǒng)的輻射換熱問題。,9.3.1兩漫灰表面間的輻射換熱網(wǎng)絡(luò)圖,9.3.2多表面封閉系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)法求解的實施步驟,1.畫出等效的網(wǎng)絡(luò)圖。,三個漫灰表面構(gòu)成的封閉空腔中的輻射換熱,原則：注入每個節(jié)點的熱流之和為零（列出各節(jié)點有效輻射的關(guān)系式）。,節(jié)點J1：,節(jié)點J2：,節(jié)點J3：,2.列出節(jié)點的電流方程。,已知三個表面溫度T1,T2,T3；以及A1,A2,A3,1,2,3,X1,2,X1,3,X2,3。,確定每個表面的有效輻射J1,J2,J3和凈輻射熱量1,2,3。,例如,3.求解代數(shù)方程組，計算各表面的有效輻射。,4.計算每個表面的凈輻射傳熱量。,9.3.3三表面封閉系統(tǒng)的兩種特殊情形,1.有一個表面為黑體表面,求解時分別列出3個節(jié)點的有效輻射方程式,2.具有重輻射面的封閉空腔中的輻射換熱：,重輻射面：輻射絕熱面，凈輻射熱流為0。,兩塊平行放置的鋼板之間的距離與其長和寬相比，可以忽略不計，已知它們的溫度分別為t1=527，t2=27，發(fā)射率為1=2=0.8。試計算：（1）板1的自身輻射；（2）板1的有效輻射；（3）板1的投入輻射；（4）板1的反射輻射；（5）板1，2的凈輻射換熱量。,例題,9.5輻射傳熱的控制,9.5.1控制物體表面間輻射傳熱的方法,兩漫灰表面間的輻射換熱網(wǎng)絡(luò)圖,例如,1.控制表面熱阻,若強化換熱，應(yīng)減少各串聯(lián)環(huán)節(jié)中的最大熱阻項。,改變表面積。,改變表面發(fā)射率。,若：,增大表面A1面積,2.控制空間熱阻,改變面積A。,改變角系數(shù)。,如何削弱物體表面之間的輻射換熱,采用反射率高的表面；采用遮熱板。,9.5.2遮熱板的原理,1.遮熱板的作用：在整個輻射換熱中凈輻射換熱量為0。即遮熱板即不向原系統(tǒng)放出熱量，也不從中吸收熱量，只是在熱流通路中增大了原系統(tǒng)的熱阻，使換熱表面之間的輻射換熱受到阻礙。,已知：兩個大平板A1,A2，溫度T1,T2，發(fā)射率1,2，中間放置遮熱板T3(T3=T3),3=3,分析：無，有遮熱板時輻射換熱量的變化。,（1）無遮熱板時：,2.分析有無遮熱板時輻射換熱量的變化,（2）有遮熱板時,簡化考慮：,可求：,且：,結(jié)論,加1塊發(fā)