傳熱學 第七章 輻射換熱計算

1、College of Energy & Power Engineering Heat Transfer 主講教師：潘振華College of Energy & Power Engineering 第一章 緒 論 第二章 導熱基本定律和穩(wěn)態(tài)導熱 第三章 非穩(wěn)態(tài)導熱第四章 對流換熱原理第五章 單相流體對流換熱特征數(shù)關(guān)聯(lián)式第六章 熱輻射基本定律第七章 輻射換熱計算College of Energy & Power Engineering 第七章第七章 輻射換熱計算輻射換熱計算 7.1 7.1 黑表面間的輻射換熱黑表面間的輻射換熱 7.2 7.2 灰表面間的輻射換熱灰表面間的輻

2、射換熱 7.37.3 輻射換熱的強化和削弱輻射換熱的強化和削弱 College of Energy & Power Engineering 7.1 黑表面間的輻射換熱 a.平行放置平行放置b.水平放置水平放置c.傾斜放置傾斜放置122211College of Energy & Power Engineering 2121兩個平表面兩個平表面一個平表面和一個平表面和一個凹表面一個凹表面College of Energy & Power Engineering 7.1.1 角系數(shù) 一個表面發(fā)射出的輻射能中落到落到另一個表面上的份額，一般用X12或X21來表示。 1. 定義

3、：定義：A1，T1A2，T21 21 212111bQQXQE A2 12 121222bQQXQE ACollege of Energy & Power Engineering 說明：說明： 角系數(shù)只是一個純粹的幾何量，僅取決于表面的大小、形狀和相互位置 ； 角系數(shù)的提出意義 ：方便計算；兩個黑表面間的凈輻射換熱量為： 121 22 1QQQ1211122221bbQE A XE A XA2，T2A1，T1College of Energy & Power Engineering 1211122221bbQE AXE A X 由上面的公式可以看出，一般情況下，黑體表面的溫度和

4、面積均已知，因此，我們求解黑體表面之間的輻射換熱問題就可歸結(jié)為求角系數(shù)的問題，這就是研究角系數(shù)的意義所在 。 College of Energy & Power Engineering 2.角系數(shù)的性質(zhì)角系數(shù)的性質(zhì) 相對性相對性 1211122221bbQE AXE A X11122221bbE A XE A X熱平衡熱平衡T1T2112221A XA XCollege of Energy & Power Engineering 完整性完整性 對于任一表面 i ，它向其它各表面（包括自身表面）投射的能量的總和，就是它向外輻射的總能量，即： 12iiii ii nQQQQQ按照角

5、系數(shù)的定義，兩邊同除以Qi，應(yīng)該有 ： 121iiiiinXXXXCollege of Energy & Power Engineering 分解性分解性 A1A2A3根據(jù)能量守恒，應(yīng)該有 ： 1 (2 3)1 21 3QQQ111 (2 3)111 2111 3bbbEAXEAXEAX1 (2 3)1 21 3XXXCollege of Energy & Power Engineering 3.角系數(shù)的計算方法角系數(shù)的計算方法 工程上角系數(shù)的確定方法多種，主要有積分法、查曲線法、代數(shù)法等，這里只給大家講解代數(shù)法的求解過程 。 根據(jù)角系數(shù)的完整性，應(yīng)有： 12132123313

6、2111XXXXXXCollege of Energy & Power Engineering 112221113331223332A XA XA XA XA XA X根據(jù)角系數(shù)的相對性，應(yīng)有： 121321233132111XXXXXX112113122122323313323A XA XAA XA XAA XA XA1231212AAAXACollege of Energy & Power Engineering 平行長方形表面間的角系數(shù)平行長方形表面間的角系數(shù)College of Energy & Power Engineering 相互垂直的長方形表面間的角系數(shù)

7、相互垂直的長方形表面間的角系數(shù)College of Energy & Power Engineering 兩同軸平行圓盤表面間的角系數(shù)兩同軸平行圓盤表面間的角系數(shù)College of Energy & Power Engineering 例7.1 如圖所示，已知 ， 求 。1 2,30.15X2,30.24X1,3?X解：解：123100010005005001 2(1 2),311,322,3AXA XA X1,3(1 2),32,320.06XXXCollege of Energy & Power Engineering 7.1.2 黑體間輻射換熱計算 121 22

8、 111122221bbQQQE A XE A X 根據(jù)角系數(shù)間的相對性，上式可以寫成根據(jù)角系數(shù)間的相對性，上式可以寫成 ：1212112bbQEEA X 12121121bbQEEA XCollege of Energy & Power Engineering 它只取決于物體間的幾何關(guān)系，它只取決于物體間的幾何關(guān)系，如表面大小、形狀和相對位置都如表面大小、形狀和相對位置都會影響到空間熱阻的大小。會影響到空間熱阻的大小。12121121bbEEQAX空間熱阻空間熱阻College of Energy & Power Engineering 舉例：舉例： 12T1、A1T2、A2

9、12211XX44121212bbbQEEATTA12121121bbEEQAXCollege of Energy & Power Engineering 三個表面的輻射網(wǎng)絡(luò)圖：三個表面的輻射網(wǎng)絡(luò)圖： 1121A X1131AX2231A X1231bE2bE3bECollege of Energy & Power Engineering 當組成封閉空腔諸表面中有某個表面 i 是絕熱時，它在參與輻射過程中沒有凈熱量交換，即Qi0，這時投射到該表面上的輻射能將全部反射出去，這種表面叫做重輻表面。重輻表面：重輻表面： 1121A X1131AX2231A X121bE2bEColl

10、ege of Energy & Power Engineering 例7.2 有一半球形容器r1m，底部的圓形面積上有溫度為200的輻射表面1和溫度為40 的吸熱表面2 ，它們各占圓形面積的一半，1，2表面均為黑表面，容器壁3為絕熱表面，試求1、2之間的輻射換熱量和容器壁3的溫度。解：解：31221bE2bE1131AX2231A X1College of Energy & Power Engineering 1232bbbEEE121,2131232180011bbEEQWX AXA3132131232011bbbbEEEEX AX A331320QQQ由，可知：444123

11、2TTT3415TKCollege of Energy & Power Engineering 7.2.1 有效輻射 定義：定義：單位時間內(nèi)離開離開物體單位表面積的總輻射能，用 J 表示。 11111bJEG灰體每單位面積的輻射凈熱量： 121111/bJGqW mEGCollege of Energy & Power Engineering 將G用J1代入，并考慮到對于灰表面，應(yīng)該有 ，可得 ： 11111111bEJq1111111bEJQA11bE1J1111A表面熱阻表面熱阻College of Energy & Power Engineering 表面熱阻，可

12、以看成是表面不是黑表面而造成的，對于黑表面，發(fā)射率為0，表面熱阻為0，而且表面的吸收率或發(fā)射率越大，表面就越接近黑體，表面熱阻值也就越小。College of Energy & Power Engineering 7.2.2 組成封閉空腔的灰表面間的輻射換熱 1.兩個灰表面兩個灰表面111AT222AT表面1凈損失熱量： 1111111bEJQA表面2凈得到熱量： 2222221bJEQA11bE1J1111ACollege of Energy & Power Engineering 表面1、2間的凈輻射換熱量： 11212212A X JA X J11212A XJJ1211

13、21JJA X2J1121A X1J12QCollege of Energy & Power Engineering 根據(jù)能量守恒，應(yīng)有： 聯(lián)立上三式，可得： 1212121112122111bbEEQAX AA11bE1J1111A2J1121A X22221A2bE1212QQQ12QCollege of Energy & Power Engineering 2.凹表面和凸表面凹表面和凸表面 若表面 1 為凹表面，則須用一個假想的平直表面 3 來代替表面 1 ，并將面積 A3 代入相應(yīng)公式計算。A3College of Energy & Power Engineer

14、ing 3.特殊情況下的簡化特殊情況下的簡化 兩平行大平板 1212121112122111bbEEQAX AA X12X211，A1A2A 44121212111bA TTQCollege of Energy & Power Engineering 大空腔與內(nèi)包非凹壁 1212121112122111bbEEQAX AA44112121122111bATTQAA 若 A2 遠大于 A1 ，則有： 44121112bQATTCollege of Energy & Power Engineering 44112121122111bATTQAACollege of Energy &

15、amp; Power Engineering 4.三個灰表面三個灰表面 若對于三個表面我們通常求的是每個表面跟封閉空腔內(nèi)其它各個表面的凈輻射換熱量Q1，而不是這個表面和另一個表面間的凈輻射換熱量Q12。College of Energy & Power Engineering 1111111bEJQA 基爾霍夫電流定律：基爾霍夫電流定律：流入每個節(jié)點的電流（熱流）之和等于零。 1131211111211311:0111bEJJJJJJA XA XACollege of Energy & Power Engineering 例7.3 有一圓柱形一端開口的空腔體，其直徑和高度均為1

16、00mm，表面溫度t1327，發(fā)射率 0.75，此空腔放置在大房間中，房間表面溫度t227，試計算通過空腔體開口的輻射熱損失。解：解：A2A111bE1J2211A X21111A2bECollege of Energy & Power Engineering 例7.4 有一圓柱狀容器，直徑為0.1m，高也為0.1m，上下圓面積之間的角系數(shù) ，若下底面A1溫度為T1500K，發(fā)射率 0.9，側(cè)面A2絕熱，頂面A3敞口，該容器放置在大房間中，房間的絕對溫度為300K，求容器通過A3面向外輻射的熱損失。1130.17XA2A1A3College of Energy & Power

17、Engineering 例7.5 一個外徑為d1的圓管，置于另一個內(nèi)徑為d2的圓管中，如果兩個管的溫度分別為T1和T2，且T1 T2 ，兩管的表面發(fā)射率分別為1和2 ，試求：（1）角系數(shù)X12、 X21和X22各為多少；（2）畫出輻射換熱網(wǎng)絡(luò)圖；（3）寫出輻射換熱計算式。 College of Energy & Power Engineering 例7.6 兩液氧儲存容器為雙壁鍍銀的夾層結(jié)構(gòu)，外壁內(nèi)表面溫度tw120，內(nèi)壁外表面溫度tw2183 ，鍍銀壁的發(fā)射率0.02。試計算由于輻射換熱每單位面積容器壁的散熱量。解：解： 11273293wwTtK2227390wwTtK 因為容器夾層的間隙很小，可認為屬于無限大平行表面間的輻射換熱，容器壁單位面積的輻射散熱量可用下式計算： College of Energy & Power En