傳熱學(xué)第十章輻射換熱計算.ppt

1,1、黑體間的輻射換熱及角系數(shù)2、灰體間的輻射換熱3、氣體輻射簡介,第十章輻射換熱的計算,2,1、黑體間的輻射換熱及角系數(shù)任意放置的兩黑體間的輻射換熱角系數(shù)的一般表達(dá)式和線算圖角系數(shù)的性質(zhì)代數(shù)分析法求角系數(shù)示例,3,角系數(shù)：表面1發(fā)出的輻射能落到表面2上的份額稱為表面1對表面2的角系數(shù)，記為X1，2。,兩黑體表面的輻射換熱：（不存在重復(fù)反射）,角系數(shù)定義,1）任意放置的兩黑體間的輻射換熱,與物體溫度無關(guān)，對于表面性質(zhì)均勻的漫射表面，它是一個純幾何因子。,4,黑體間輻射換熱計算關(guān)鍵參數(shù)角系數(shù),空間輻射熱阻,結(jié)果只與幾何因素有關(guān)，所以對于非黑體和非熱平衡也是適用的。,熱平衡時：,5,假設(shè)：物體為漫射(漫輻射，漫反射)表面服從蘭貝特定律；表面性質(zhì)（溫度、黑度、吸收比）均勻。,角系數(shù)計算,2）角系數(shù)的一般表達(dá)式和線算圖,6,微元表面1發(fā)出的輻射能落到微元表面2上的能量為：,微元表面1發(fā)出的輻射能落到表面2上的能量為：,7,角系數(shù)：,這就是角系數(shù)計算的一般表達(dá)式，對于規(guī)則形狀和位置，可借助于線算圖（教材圖9-7，8，9）進(jìn)行計算。部分二維和三維結(jié)構(gòu)角系數(shù)計算式見教材表9-1，2。,表面1發(fā)出的輻射能落到表面2上的能量為：,8,相對性：,完整性：對封閉系統(tǒng)的n個表面，,注：對于凹形輻射面，Xi，i0,可加性:,3）角系數(shù)的性質(zhì),9,對于三個非凹面組成的封閉空間，在垂直紙面方向足夠長，可忽略端部輻射，角系數(shù)之間存在如下關(guān)系：,三個非凹面組成的封閉空間,，,其它類推,4）代數(shù)分析法求角系數(shù)示例,10,兩個不相交的凸面ab和cd之間的角系數(shù),對于假想的abc空間，應(yīng)用上述角系數(shù)公式：,兩個不相交的凸面之間的角系數(shù),同理，對于假想的abd空間，有角系數(shù)：,根據(jù)角系數(shù)的完整性可得：,11,2、灰體間的輻射換熱灰體表面凈換熱計算灰體輻射換熱網(wǎng)絡(luò),12,投入輻射：單位時間投射到表面單位面積上的輻射能，記為G。,有效輻射：單位時間、單位面積離開表面的輻射能，記為J，其值為本身輻射和反射輻射之和。,灰體表面的輻射熱流,1）灰體表面凈換熱計算,2、灰體間的輻射換熱,13,由灰體表面特性可得投入輻射表達(dá)式：,灰體表面凈換熱：,表面輻射熱阻,14,以上分析表明：物體間的輻射換熱量與輻射力之差成正比，與輻射熱阻成反比。輻射熱阻分為兩大類：一類是輻射角系數(shù)起主要作用的空間輻射熱阻，一類是表面黑度起主要作用的表面輻射熱阻。因此，各種形式的輻射換熱都可以用類似于電路網(wǎng)絡(luò)的相應(yīng)輻射換熱網(wǎng)絡(luò)描述和計算。,輻射換熱等效網(wǎng)絡(luò)的特點：表面輻射熱阻是各表面同溫度下黑體輻射力與有效輻射間的熱阻，反映物體表面特性對傳熱的影響，空間輻射熱阻是各有效輻射之間的熱阻，反映各表面間空間關(guān)系對傳熱的影響。,2）灰體輻射換熱網(wǎng)絡(luò),15,兩個灰體間的輻射換熱（不存在第三個表面）:,等效網(wǎng)絡(luò)：,輻射換熱量：,16,式中：系統(tǒng)黑度,內(nèi)包物體（內(nèi)1外2）,內(nèi)包小物體,平行大平壁,(計算時無需知道大物體的面積和黑度),17,遮熱板:為降低輻射換熱，常用遮熱板結(jié)構(gòu)，即在兩輻射換熱表面間插入第三快板，應(yīng)用上述平行大平壁公式可得遮熱板結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)黑度為：,18,多個灰體間的輻射換熱（封閉空間）,解題思路：a.求出網(wǎng)絡(luò)節(jié)點輻射力、表面熱阻、空間熱阻b.寫出中間節(jié)點方程方程組；c.解方程組求得各點有效輻射Ji,d.各表面輻射熱計算,e.各表面間輻射換熱計算,19,如：三表面間的等效網(wǎng)絡(luò),節(jié)點方程：（流向節(jié)點的熱流代數(shù)和為零）,如J3點：,其它類推。,20,具有重輻射面的封閉腔輻射換熱（與串并聯(lián)電路解法類似）,21,思考：某辦公室由中央空調(diào)系統(tǒng)維持室內(nèi)恒溫，人們注意到盡管冬夏兩季室內(nèi)都是20，但感覺卻不同。（東南大學(xué)2000年考研題）答：冬季和夏季的最大區(qū)別是室外溫度的不同。夏季室外溫度比室內(nèi)高，而冬季室外氣溫比室內(nèi)低，因此冬季和夏季墻壁內(nèi)表面溫度不同，夏季高而冬季低。盡管冬夏兩季室內(nèi)空氣溫度都是20，但冬季人體與墻壁的輻射散熱量比夏季高得多。,22,1）氣體輻射性質(zhì):對稱雙原子氣體（H2、O2、N2等）熱輻射的透明體（不輻射，不吸收）不對稱雙原子及多原子氣體（H2O、CO2等）具有吸收和輻射的本領(lǐng)。,2）氣體輻射的特點:選擇性：氣體在某些波長段（光帶）有吸收和輻射能力，而在光帶之外為熱輻射的透明體，如圖9-27。（氣體不是灰體）在整個容積中進(jìn)行。,3、氣體輻射簡介,23,概念匯總:,1.角系數(shù)：表面1發(fā)出的輻射能落到表面2上的份額稱為表面1對表面2的角系數(shù)。記為：X1，2。,2.空間輻射熱阻：,3.對于性質(zhì)均勻且服從蘭貝特定律的表面，其角系數(shù)是純幾何因子。,4.角系數(shù)的相對性：,A1X1，2=A2X2，1,5.角系數(shù)的完整性：,（對于封閉系統(tǒng)的n個表面）,6.角系數(shù)的可加性：,X1，2+3=X1，2+X1，3；,24,1.試述角系數(shù)的定義?！敖窍禂?shù)是一個純幾何因子”的結(jié)論是在什么前提下得出的？,答：表面1發(fā)出的輻射能落到表面2上的份額稱為表面1對表面2的角系數(shù)。“角系數(shù)是一個純幾何因子”的結(jié)論是在物體表面性質(zhì)及表面溫度均勻、物體輻射服從蘭貝特定律的前提下得出的。,2.角系數(shù)有哪些特性？這些特性的物理背景是什么？,答：角系數(shù)有相對性，完整性和可加性。相對性是在兩物體處于熱平衡時，凈輻射換熱量為零的條件下導(dǎo)得的；完整性反映了一個由幾個表面組成的封閉系統(tǒng)中，任一表面所發(fā)生的輻射能必全部落到封閉系統(tǒng)的各個表面上；可加性是說明從表面1發(fā)出而落到表面2上的總能量等于落到表面2上各部份的輻射能之和。,思考題和典型習(xí)題分析:,25,3.為什么計算一個表面與外界之間的凈輻射換熱量時要采用封閉腔的模型？,答：因為任一表面與外界的輻射換熱包括了該表面向空間各個方向發(fā)出的輻射能和從各個方向投入到該表面上的輻射能。,4.實際表面系統(tǒng)與黑體系統(tǒng)相比，輻射換熱計算增加了哪些復(fù)雜性？,答：實際表面系統(tǒng)的輻射換熱存在表面間的多次重復(fù)反射和吸收，光譜輻射力不服從普朗克定律，光譜吸收比與波長有關(guān)，輻射能在空間的分布不服從蘭貝特定律，這都給輻射換熱計算帶來了復(fù)雜性。,26,27,8.什么是遮熱板？試根據(jù)自己的切身經(jīng)歷舉出幾個應(yīng)用遮熱板的例子。,答：所謂遮熱板是指插入兩個輻射表面之間以削弱換熱的薄板。如屋頂隔熱板、遮陽傘都是我們生活中應(yīng)用遮熱板的例子。,28,2.已知一微元圓盤dA1與有限大圓盤A2(半徑為R0)相平行，兩圓盤中心的連線垂直與兩圓盤，且長度為s。試計算Xd1,2。,解：由幾何關(guān)系：,根據(jù)角系數(shù)定義式：,代入幾何關(guān)系整理得：,29,3.試用簡捷方法確定右圖中的角系數(shù)X1,2。,解：(1)因為：,(2)因為：,(3)參考(2)，具有對稱性：,(4)假設(shè)在球的頂面有另一塊無限大平板存在，由對稱性：,30,4.試確定圖中幾何結(jié)構(gòu)的角系數(shù)X1,2,解：(1)由角系數(shù)性質(zhì)可列出下列關(guān)系：,A1X1,2=A2X2,1=A2(X2,1+A-X2,A)=A1+AX1+A,2-AAXA,2X1,2=(A1+A/A1)(X1+A,2+B-X1+A,B)-(AA/A1)(XA,2+B-XA,B),31,由圖中尺寸查參考文獻(xiàn)1圖8-8得：,代入原式：X1,2=(3/1.5)(0.19-0.165)-(1.5/1.5)(0.275-0.255)=0.03,32,(2)由角系數(shù)性質(zhì)可列出下列關(guān)系：A1X1,2=A2X2,1=A2(X2,1+A-X2,A)X1,2=(A2/A1)(X2,1+A-X2,A),由圖中尺寸查參考文獻(xiàn)1圖8-8得：,代入原式：X1,2=(1.5/1.5)(0.27-0.225)=0.045,33,5.兩塊平行放置灰體平板的表面黑度為0.8，溫度分別為t1=527及t2=27，板間距遠(yuǎn)小于板的寬度與高度。試計算：(1)板1的本身輻射；(2)對板1的投入輻射；(3)板1的反射輻射；(4)板1的有效輻射；(5)板2的有效輻射；(6)板1、2間的輻射換熱量,解：(1)板1的本身輻射：E1=Eb1=0.85.6710-8(527+273)4=18579.5(W/m2),(2)對板1的投入輻射：首先計算兩板間的換熱量：,34,由：J1-G1=q1-2,J1=E1+G1(1-)則：G1=(E1-q1-2)/=(18579.5-15176.7)/0.8=4253.5(W/m2),(3)板1的反射輻射：G1(1-)=4253.5(1-0.8)=850.7(W/m2),(4)板1的有效輻射：J1=E1+G1(1-)=18579.5+850.7=19430.2(W/m2),(5)板2的有效輻射：J2=G1=4253.5(W/m2),(6)板1、2間的輻射換熱量：q1-2=15176.7(W/m2),35,6.設(shè)熱水瓶的瓶膽可以看作為直徑為10cm、高為26cm的圓柱體，夾層抽真空，其表面黑度為0.05。試估算沸水剛沖入水瓶后，初始時刻水溫的平均下降速率。夾層兩壁溫可以近似地取為100及20。,解：熱水瓶的表面積為：,熱水瓶內(nèi)外壁的輻射換熱量為：,36,水的物性參數(shù)：=958.4(kg/m3)；c=4220(J/kg),所以初始時刻水溫的平均下降速率為：,37,7.在一厚為200mm的爐墻上有一直徑為200mm的孔,孔的圓柱形表面可以認(rèn)為是絕熱的,爐內(nèi)溫度為1400,室溫為30。試確定當(dāng)該孔的蓋板被移去時,室內(nèi)物體所得到的凈輻射熱量。,解：這是三個表面間的輻射換熱系統(tǒng)，其中孔的圓柱形內(nèi)表面為絕熱表面(重輻射表面)，孔的兩端面可看作黑體：,由題2：X1,2=,R0=100mm；s=200mm=2R0,所以：X1,2=1/5=0.2X1,3=1-X1,2=1-0.2=0.8X2,3=X1,3=0.8,又：A1=A2=3.14160.12=3.141610-2,38,兩端面間的輻射熱阻：R1=1/(A1X1,2)；,端面與柱面間的輻射熱阻：R2=R3=1/(A1X1,3),輻射總熱阻：,代入數(shù)據(jù)計算可得凈輻射熱量：,39,8.設(shè)有如圖所示的幾何體，半球表面是絕熱的，底面被一直徑(D=0.2m)分為1、2兩部分。表面1為灰體，T1=550K，1=0.35；表面2為黑體，T2=330K。試計算表面1的凈輻射熱損失及表面3的溫度。,解：,40,表面1的凈輻射熱損失：,由：,又,因為T1T2，表面1發(fā)出的輻射熱通過絕熱面3可以反射到表面2上