第九章輻射傳熱的計算第九章輻射傳熱的計算傳熱學HeatTransfer9-1角系數的定義、性質與計算即便其它條件一致，兩物體間的輻射換熱量隨表面的相對位置不同而存在較大的差異。（教材圖9-1）Why角系數定義：表面1發(fā)出的輻射能落到表面2上的百分數稱為表面1對表面2的角系數X1,2“發(fā)出”—包含表面1自身的輻射和反射的輻射；“落到”—不管表面2是否能夠吸收；角系數概念的假定：①所研究的表面為漫射體②表面的輻射熱流均勻角系數的基本屬性：純幾何因子，與表面的溫度和發(fā)射率無關。兩黑體表面間的輻射換熱量傳熱學HeatTransfer9-1角系數的定義、性質傳熱學HeatTransfer9-1角系數的定義、性質與計算角系數的性質相對性完整性可加性角系數的相對性：兩個表面間的角系數X1,2和X2,1不是獨立存在的。（推導基于立體角概念和蘭貝特定律）兩個有限大小表面1傳熱學HeatTransfer9-1角系數的定義、性質傳熱學HeatTransfer9-1角系數的定義、性質與計算角系數的性質相對性完整性可加性角系數的完整性：由N個表面組成的封閉腔，有2表面1為非凹表面（凸面或平面）：X1,1＝0表面1為凹表面：X1,1≠0發(fā)射面1自身凹表面非凹表面?zhèn)鳠釋WHeatTransfer9-1角系數的定義、性質傳熱學HeatTransfer9-1角系數的定義、性質與計算角系數的性質相對性完整性可加性角系數的可加性：設表面2由2A和2B兩部分組成，有3表面1到表面2表面2到表面1注意：角系數的直接相加僅適合角系數符號第二角碼傳熱學HeatTransfer9-1角系數的定義、性質傳熱學HeatTransfer9-1角系數的定義、性質與計算角系數的計算直接積分法代數分析法幾何分析法、蒙特卡羅法…直接積分法：利用角系數的基本定義通過多重積分求解。1四重積分太復雜？常見幾何結構角系數的求解查圖表（教材圖9-7～9-9、表9-1、9-2）傳熱學HeatTransfer9-1角系數的定義、性質傳熱學HeatTransfer9-1角系數的定義、性質與計算角系數的計算直接積分法代數分析法幾何分析法、蒙特卡羅法…代數分析法：利用角系數的性質，通過求解代數方程組獲得角系數的方法。2三個非凹表面組成的封閉系統(tǒng)（忽略垂直方向兩端輻射能的逸出）相對性完整性傳熱學HeatTransfer9-1角系數的定義、性質傳熱學HeatTransfer9-1角系數的定義、性質與計算角系數的計算直接積分法代數分析法幾何分析法、蒙特卡羅法…代數分析法：利用角系數的性質，通過求解代數方程組獲得角系數的方法。2三個非凹表面組成的封閉系統(tǒng)（忽略垂直方向兩端輻射能的逸出）以線段長度表示傳熱學HeatTransfer9-1角系數的定義、性質傳熱學HeatTransfer9-1角系數的定義、性質與計算角系數的計算直接積分法代數分析法幾何分析法、蒙特卡羅法…代數分析法：利用角系數的性質，通過求解代數方程組獲得角系數的方法。2兩個非凹表面及假想面組成的封閉系統(tǒng)（垂直方向無限長）完整性傳熱學HeatTransfer9-1角系數的定義、性質傳熱學HeatTransfer9-1角系數的定義、性質與計算角系數的計算直接積分法代數分析法幾何分析法、蒙特卡羅法…代數分析法：利用角系數的性質，通過求解代數方程組獲得角系數的方法。2兩個非凹表面及假想面組成的封閉系統(tǒng)（垂直方向無限長）又稱為交叉線法。交叉線和不交叉線均指虛擬的輔助線。傳熱學HeatTransfer9-1角系數的定義、性質傳熱學HeatTransfer9-2被透熱介質隔開的兩固體表面間的輻射換熱透熱介質：不參與熱輻射的介質。封閉腔模型：計算任一表面與外界的輻射換熱，必須計及空間各方向輻射能的發(fā)射和接收。因此，計算對象必須是包含所研究表面的封閉腔。 封閉腔邊界可以是全部真實的，亦可部分虛擬的。 封閉腔模型適用于黑體和漫灰表面間輻射換熱計算。被透熱介質隔開的兩固體表面間的輻射換熱兩黑體表面兩漫灰表面導熱、對流傳熱輻射傳熱直接接觸的物體物體表面間被真空或者透熱介質隔開吸收比小于1，且存在對投入輻射的反射傳熱學HeatTransfer9-2被透熱介質隔開的兩傳熱學HeatTransfer9-2被透熱介質隔開的兩固體表面間的輻射換熱1被透熱介質隔開的兩黑體表面間的輻射換熱角系數的相對性黑體輻射換熱的等效網絡空間輻射熱阻黑體輻射換熱計算的關鍵在于角系數X1,2的求取空間輻射熱阻的理解？傳熱學HeatTransfer9-2被透熱介質隔開的兩傳熱學HeatTransfer9-2被透熱介質隔開的兩固體表面間的輻射換熱2被透熱介質隔開的兩漫灰表面間的輻射換熱漫灰表面吸收與發(fā)射輻射能的特點有效輻射J的概念投入輻射G：單位時間投射到單位表面積的總輻射能。有效輻射J：單位時間離開單位表面積的總輻射能，包括自身輻射和反射輻射。漫灰表面1外能感受到的表面輻射即有效輻射J1，計算漫灰表面的輻射換熱采用有效輻射的概念，而非黑體的輻射力Eb。有效輻射自身輻射反射輻射固體、液體的穿透比＝0，傳熱學HeatTransfer9-2被透熱介質隔開的兩傳熱學HeatTransfer9-2被透熱介質隔開的兩固體表面間的輻射換熱2被透熱介質隔開的兩漫灰表面間的輻射換熱漫灰表面間輻射換熱量q與有效輻射J的關聯(lián)：關聯(lián)式具有普遍性，注意是針對同一表面，且以向外的凈放熱為正值。實際物體表面的有效輻射J總是小于相同表面溫度的黑體輻射力Eb嗎？傳熱學HeatTransfer9-2被透熱介質隔開的兩傳熱學HeatTransfer9-2被透熱介質隔開的兩固體表面間的輻射換熱2被透熱介質隔開的兩漫灰表面間的輻射換熱兩黑體表面兩漫灰表面系統(tǒng)發(fā)射率εs：

是考慮由于灰體系統(tǒng)多次吸收與反射對換熱量影響的因子。εs<1傳熱學HeatTransfer9-2被透熱介質隔開的兩傳熱學HeatTransfer9-2被透熱介質隔開的兩固體表面間的輻射換熱2被透熱介質隔開的兩漫灰表面間的輻射換熱兩漫灰面輻射換熱的等效網絡空間輻射熱阻表面輻射熱阻表面輻射熱阻兩漫灰面輻射換熱的等效網絡相比于兩黑體表面多出兩個表面輻射熱阻兩類熱阻的理解？傳熱學HeatTransfer9-2被透熱介質隔開的兩傳熱學HeatTransfer9-2被透熱介質隔開的兩固體表面間的輻射換熱2被透熱介質隔開的兩漫灰表面間的輻射換熱表面1為非凹面，X1,1＝0

X1,2＝1簡化1X1,2＝1，表面積A1≈A2簡化2X1,2＝1，表面積A1<<A2簡化3A1A2傳熱學HeatTransfer9-2被透熱介質隔開的兩傳熱學HeatTransfer9-3多表面系統(tǒng)輻射換熱的計算對于多表面系統(tǒng)，采用網絡法計算每一個表面的凈輻射換熱量。網絡法：將輻射熱阻比擬成等效的電阻，通過等效的網絡圖求解輻射換熱。

用電路來比擬輻射熱流的傳遞路徑，電路中的電流、電位差和電阻對應輻射換熱中的熱流、熱勢差與熱阻。Eb～源熱勢J～節(jié)點熱勢Ф～熱流每一個輻射表面對應一個表面輻射熱阻，黑體的表面輻射熱阻為零每一對輻射表面對應一個空間輻射熱阻。表面輻射熱阻對應熱勢差Eb-J空間輻射熱阻對應熱勢差J1-J2傳熱學HeatTransfer9-3多表面系統(tǒng)輻射換熱傳熱學HeatTransfer9-3多表面系統(tǒng)輻射換熱的計算網絡法求解輻射換熱的步驟：分析封閉系統(tǒng)的表面組成，以及各個表面的性質（黑體、漫灰、絕熱）；畫出等效網絡圖；2.1每個輻射表面（非絕熱的）畫出相應的電路（源熱勢、節(jié)點熱勢、表面輻射熱阻）；2.2各表面間由節(jié)點熱勢（即有效輻射J）通過空間輻射熱阻進行連接。三個漫灰面組成的封閉空腔傳熱學HeatTransfer9-3多表面系統(tǒng)輻射換熱傳熱學HeatTransfer9-3多表面系統(tǒng)輻射換熱的計算網絡法求解輻射換熱的步驟：3.根據等效網絡圖，利用電路基爾霍夫定律（所有流向節(jié)點J的熱流量代數和＝0），列出節(jié)點的電流（熱流量）方程；傳熱學HeatTransfer9-3多表面系統(tǒng)輻射換熱傳熱學HeatTransfer9-3多表面系統(tǒng)輻射換熱的計算網絡法求解輻射換熱的步驟：求解節(jié)點的電流（熱流量）方程，得到節(jié)點熱勢（即有效輻射J），每個表面對應一個J，N個表面得到J1～JN；計算每個表面的凈輻射換熱量Фi，以及兩個表面間的輻射換熱量Фij。任一表面的凈輻射換熱量：兩表面間的輻射換熱量：傳熱學HeatTransfer9-3多表面系統(tǒng)輻射換熱傳熱學HeatTransfer9-3多表面系統(tǒng)輻射換熱的計算網絡法求解輻射換熱的兩個特例：一個表面為黑體或面積無窮大，對應的表面輻射熱阻＝0，Ji＝Ebi1兩個漫灰面+一個黑體面組成的封閉空腔減少一個節(jié)點方程傳熱學HeatTransfer9-3多表面系統(tǒng)輻射換熱傳熱學HeatTransfer9-3多表面系統(tǒng)輻射換熱的計算網絡法求解輻射換熱的兩個特例：一個表面絕熱，凈輻射換熱量q＝0（即為重輻射面Ji＝Ebi）2兩個漫灰面+一個重輻射面組成的封閉空腔重輻射面：表面溫度未定而凈輻射換熱量為零的表面。與特例1的區(qū)別在于J3并不是源電勢，表面溫度T3未知。傳熱學HeatTransfer9-3多表面系統(tǒng)輻射換熱傳熱學HeatTransfer9-3多表面系統(tǒng)輻射換熱的計算上述輻射換熱計算的前提條件：透熱介質+封閉腔模型；穩(wěn)態(tài)換熱；輻射表面為黑體或漫灰表面；輻射表面的輻射熱流均勻（對于漫灰面，即有效輻射J均勻）；不考慮對流換熱本書介紹的輻射換熱計算必須滿足上述前提。兩點補充：適合計算機求解的有效輻射顯式形式；計算表面的劃分應該以熱邊界條件為依據，不能拘泥于幾何邊界。傳熱學HeatTransfer9-3多表面系統(tǒng)輻射換熱傳熱學HeatTransfer9-4氣體輻射的特點及計算氣體輻射透熱氣體：無發(fā)射和吸收輻射能能力的氣體空氣、H2、O2、N2等吸收性氣體：有發(fā)射和吸收輻射能力的氣體O3、H2O、CO2、SO2、CO

等YN氣體輻射的特點（CO2、H2O）：氣體輻射對波長有選擇性，CO2、H2O各有三個位于紅外線光帶的區(qū)間具有輻射和吸收的本領。氣體一般不能做灰體假設；氣體輻射在整個容積中進行，與氣體的在容器中的分子數目和容器的形狀和容積有關。傳熱學HeatTransfer9-4氣體輻射的特點及計傳熱學HeatTransfer氣體光譜輻射強度的削弱規(guī)律－貝爾定律輻射能通過吸收性氣體層，不斷被氣體吸收而削弱。削弱的程度取決于輻射強度和氣體分子數目。貝爾定律：光譜輻射強度呈指數規(guī)律衰減。氣體的光譜穿透比氣體的光譜反射比氣體的光譜發(fā)射率9-4氣體輻射的特點及計算xdxs傳熱學HeatTransfer氣體光譜輻射強度的削弱規(guī)律傳熱學HeatTransfer氣體發(fā)射率與平均線程長氣體發(fā)射率：氣體輻射力：氣體輻射力與射線行程長度有關如何評價？平均線程長s將形狀各異的氣體容積輻射力＝當量半球內相同氣體對球心的輻射力平均射線行程長＝當量半球半徑平均線程長s依據氣體容積形狀查表9-3s＝3.6×V/A氣體的分壓力9-4氣體輻射的特點及計算傳熱學HeatTransfer氣體發(fā)射率與平均線程長氣體傳熱學HeatTransfer氣體輻射的計算（發(fā)射）氣體發(fā)射率：氣體輻射力：氣體發(fā)射率的計算H2OCO2H2O+CO2查圖9-31，9-32查圖9-33，9-34查圖9-31～9-35上標*表示總壓力105Pa，水蒸氣或CO2分壓力為零的理想情況。9-4氣體輻射的特點及計算傳熱學HeatTransfer氣體輻射的計算（發(fā)射）氣體傳熱學HeatTransfer氣體輻射的計算（吸收）由于氣體輻射對波長具有選擇性，不能視為灰體氣體吸收比的計算H2O+CO29-4氣體輻射的特點及計算傳熱學HeatTransfer氣體輻射的計算（吸收）由于傳熱學HeatTransfer氣體輻射換熱量的計算氣體與黑體壁面的輻射換熱熱流＝氣體的自身輻射－氣體的吸收輻射9-4氣體輻射的特點及計算傳熱學HeatTransfer氣體輻射換熱量的計算氣體與傳熱學HeatTransfer9-5輻射傳熱的控制（強化與削弱）增加輻射表面積A增加角系數X1,2圖9-39：將高溫部件置于相對冷表面角系數較大的位置?？刂瓶臻g輻射熱阻強化控制表面輻射熱阻強化增加輻射表面積A增加換熱表面的發(fā)射率εA2>A1，所以增加表面積為A1的物體的發(fā)射率ε1更加有效。（減小串聯(lián)環(huán)節(jié)的最大熱阻項）A1＝1，A2＝10

ε1＝ε2＝0.51.1ε1＝0.5ε2＝0.81.025ε1＝0.8ε2＝0.50.35傳熱學HeatTransfer9-5輻射傳熱的控制（強傳熱學HeatTransfer9-5輻射傳熱的控制（強化與削弱）控制表面輻射熱阻削弱減小換熱表面的發(fā)射率ε工廠蒸汽管道外敷鋁箔2.兩輻射表面間安插遮熱板實際物體對太陽能的吸收強化太陽能集熱器的光譜選擇性涂層削弱變壓器油漆成淺色（表8-4）傳熱學HeatTransfer9-5輻射傳熱的控制（強傳熱學HeatTransfer遮熱板削弱輻射傳熱：不加板加板增加一層遮熱板，相當于增加兩個表面輻射熱阻，以及一個空間輻射熱阻。（習題：9-24）9-5輻射傳熱的控制（強化與削弱）減小一半！加一層遮熱板后的等效網絡圖？增加n層遮熱板：遮熱板的工程應用：汽輪機高壓、中壓缸連接管；低溫容器；輸送蒸汽的隔熱油管；遮熱罩抽氣式熱電偶。傳熱學HeatTransfer遮熱板削弱輻射傳熱：不加板傳熱學He