1、.,1,第九章 輻射換熱計算Calculation of Radiation Heat Transfer,.,2,預備知識物體的輻射和吸收特性本章主要介紹物體間輻射換熱的計算方法，包括：1. 兩個和多個表面所組成系統(tǒng)的輻射換熱計算2. 輻射換熱中重要的幾何因子角系數(shù)3. 煙氣的輻射特性及其與殼體間的輻射換熱計算4. 輻射的強化與削弱5. 太陽輻射簡介,.,3,一、任意位置兩非凹黑表面間的輻射傳熱 dA1投射到dA2的輻射能(即dA2吸收的)：,對于黑體：,代入得：,凈輻射換熱量：,dA2投射到dA1的輻射能 (即dA2發(fā)射的),立體角定義中的面積為與法線垂直的面積,9-1 黑表面間的輻射傳熱,

2、.,4,A1與A2間的凈輻射換熱量：,角系數(shù),.,5,A1與A2間的凈輻射換熱量：,角系數(shù)是一個幾何量，只取決于表面的形狀、大小和相對位置，與物體的輻射能力無關(guān)。,A1對A2的角系數(shù)：,同理，A2對A1的角系數(shù)： 角系數(shù)的互換性 凈輻射換熱量：,.,6,T1T2,凈輻射換熱量：,輻射空間熱阻 (geometric resistance，或形狀熱阻) 取決于表面間的幾何關(guān)系 表面積或角系數(shù)越小，空間熱阻越大。,特例：無限長平行黑體平壁,.,7,二、封閉空腔黑表面間的輻射傳熱 空腔法：以實際或假想表面組成封閉空腔,表面i 與其它黑表面間的凈輻射換熱量：,i表面的凈輻射換熱量=i黑表面發(fā)射的-其他黑

3、表面向i投出的,.,8,畫熱阻網(wǎng)絡圖： 三個黑表面 若:其中表面3絕熱,3=0 也稱為重輻射面 E3 為浮動電位，其溫度隨其他表面輻射狀況而改變 例如：加熱爐中的反射拱，絕熱，作用為改變輻射線方向,三個黑表面組成的封閉空腔,書P229例9-1,.,9,重輻射面-即兩重性 從溫度上看，可以將其視為黑體； 從能量上看，可以將其當作反射率為1的表面。 所以重輻射表面是在一定條件下的黑體或白體。 因為重輻射面的溫度與其它表面的溫度不同，所以重輻射面的存在改變了輻射能的方向分布。重輻射面的幾何形狀、尺寸及相對位置將影響整個系統(tǒng)的輻射換熱。,.,10,T1,一、有效輻射 指：單位時間內(nèi)離開灰表面單位面積的

4、總輻射能，J， W/m2,9-2 灰表面間的輻射換熱,灰表面？,自身發(fā)射輻射E 投入輻射 G 被反射輻射的部分 （：表面的反射比，可表示成1） 輻射探測儀測量的為有效輻射,.,11,從表面 1 外部，凈輻射換熱量為：,從表面內(nèi)部，該表面與外界的輻射換熱量為：,聯(lián)立消去G1，得J與表面凈輻射換熱量的關(guān)系:,灰表面1的凈輻射換熱量:,T1,.,12,二、兩灰表面組成的封閉腔的輻射換熱,兩個等溫漫灰表面封閉系統(tǒng)的輻射網(wǎng)絡圖： 兩表面間輻射換熱量：,.,13,根據(jù)上式及能量守恒有,(a),(b),(c),(d),因為,推導過程： 兩等溫漫灰表面間的輻射換熱量：,.,14,系統(tǒng)發(fā)射率 (或稱為系統(tǒng)黑度)

5、 灰表面發(fā)射率小于1，引起多次吸收、反射 數(shù)值小于1,若以A1為計算面積，上式可改寫為：,.,15,三種特殊情形,(1) 表面1為凸面或平面，此時，X1,21，于是,其中系統(tǒng)發(fā)射率為：,注：表面1為凹面時，也可采用上述方法計算，但需換用有效面積,A1effect,實例： 暖器、管道與房間,.,16,(2) 表面積A1比表面積A2小得多，即A1/A2 0 ，X1,21,實例： 大房間內(nèi)的小物體(如高溫管道等) 氣體容器內(nèi)(或管道內(nèi))熱電偶測溫的輻射誤差 。,.,17,(3) 表面積A1與表面積A2相當，即A1/A2 1,A1,A2,實例： 平行平面 暖水瓶,.,18,使用條件：漫灰面、等溫、物性

6、均勻以及投射輻射均勻 三個灰表面組成封閉空腔 (1) 畫出熱阻網(wǎng)絡圖，4個表面？ (2) 計算i表面的凈輻射換熱量i (3) 能否算i,j (4) 有效輻射Ji的計算 (5) 表面3為黑表面 (6) 表面3為絕熱面,三、 多個灰表面系統(tǒng)輻射換熱的計算 1、網(wǎng)絡法,.,19,節(jié)點 的熱流方程如下：,求解上面的方程組求Ji，再計算凈換熱量i。,類比：基爾霍夫電流定律-流入每個節(jié)點的電流為0,.,20,三個灰表面組成封閉空腔 (1) 畫出熱阻網(wǎng)絡圖，4個表面？ (2) 計算i表面的凈輻射換熱量i (3) 能否算i,j (4) 有效輻射Ji的計算 (5) 表面3為黑表面 (6) 表面3為絕熱面,三、

7、多個灰表面系統(tǒng)輻射換熱的計算 1、網(wǎng)絡法,兩個特例 有一個表面為黑體。,黑體的表面熱阻為零 J3 Eb3 ，3=-（1+ 2）,.,21, 有一個表面絕熱，即該表面的凈換熱量為零。,特點： 30，J3Eb3T4 不與電源相連,與黑表面的區(qū)別： 黑表面溫度不隨其他表面改變，凈熱量不一定為0； 絕熱面凈熱量為0，溫度隨其他表面狀況改變。例如書P236,.,22,當一個表面為重輻射面時，其余兩個表面間的凈輻射換熱量可按直接由網(wǎng)絡圖寫出，,按電學原理，并聯(lián)的等效電阻Req為,可求得1,2,.,23,二、數(shù)值解法,例：四個表面,表面?zhèn)€數(shù)多時，網(wǎng)絡法計算繁瑣，可采用數(shù)值解法,.,24,把它們改寫成關(guān)于J1

8、J4的代數(shù)方程后，有,以上4式可統(tǒng)一寫成 (參考 書P237) 數(shù)值求解,.,25,表面再多，如此很難處理。這時可用公式與計算機結(jié)合 N個表面構(gòu)成的封閉系統(tǒng)，則第I個表面的有效輻射,第I個表面的投射輻射,代入有效輻射表達式,非凹假設沒有必要 表面劃分要以熱邊界條件為主要依據(jù),.,26,例題 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tw1=20，內(nèi)壁外表面溫度tw2=-183，鍍銀壁的發(fā)射率=0.02,試計算由于輻射傳熱每單位面積容器壁的散熱量。,解：,因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傳熱問題。,.,27,例題 一根直徑d=50mm，長度l=8m的鋼管，被置于橫斷面

9、為 0.2 m0.2m 的磚槽道內(nèi)。若鋼管溫度和發(fā)射率分別為t1=250，1= 0.79磚槽壁面溫度和發(fā)射率分別為t2=250，2=0.93，試計算該鋼管的輻射熱損失。,解：因表面1非凹，可直接應用式(8-15)計算鋼管的輻射熱損失,.,28,例題 一直徑d=0.75m的圓筒形埋地式加熱爐采用電加熱方法加熱，如圖。在操作過程中需要將爐子頂蓋移去一段時間，設此時筒身溫度為500K，筒底為650K。環(huán)境溫度為300K，試計算頂蓋移去其間單位時間內(nèi)的熱損失。設筒身及底面均可作為黑體。,據(jù)角系數(shù)圖，,再據(jù)相對性得,解：從加熱爐的側(cè)壁與底面通過頂部開口散失到廠房中的輻射熱量幾乎全被廠房中物體吸收，返回到

10、爐中的比例幾乎為零。因此，可以把爐頂看成是一個溫度為環(huán)境溫度的黑體表。面加熱爐散失到廠房中的輻射能即為,.,29,由對稱性得X2，3=X2，1，故最后得,.,30,例題 兩塊尺寸為1m2m，間距為1m的平行平板置于室溫t3=27的大廠房內(nèi)。平板背面不參與換熱。已知兩板的溫度和發(fā)射率分別為t1=827，t2=327， 1=0.2， 2=0.5，試計算每個板的凈輻射熱量及廠房壁所得到的輻射熱量。,解：本題是3個灰表面間的輻射傳熱問題。廠房很大，表面熱阻可取為零，J3=Eb3。網(wǎng)絡圖如下。 據(jù)給定的幾何特性X/D=2，Y/D=1，由圖8-7查出：,而,計算網(wǎng)絡中的各熱阻值：,.,31,以上各熱阻的數(shù)

11、值都已標出在圖8-27上。對J1，J2節(jié)點應用直流電路的基爾霍夫定律， J1節(jié)點,J2節(jié)點,而,將Eb1，Eb2，Eb3的值代入方程，聯(lián)立求解得,.,32,于是，板1的輻射傳熱為:,板2的輻射傳熱為:,廠房墻壁的輻射傳熱量為:,.,33,例 假定例8-6中的大房間的墻壁為重輻射表面，在其他條件不變時，試計算溫度較高表面的凈輻射散熱量。 解：本題把房間墻壁看作絕熱表面。其中,串、并聯(lián)電路部分的等效電阻為:,故,Eb1、Eb2間總熱阻,溫度較高的表面的凈輻射散熱量為,.,34,例題 輻射采暖房間，加熱設施布置于頂棚，房間尺寸為4m 5m 3m見圖8-28。據(jù)實測已知：頂棚表面溫度t1=25，1=0

12、.9；邊墻2內(nèi)表面溫度為t2=10，1=0.8；其余三面邊墻的內(nèi)表面溫度及發(fā)射率相同，將它們作為整體看待，統(tǒng)稱為F3，t3=13， 3=0.8, 底面的表面溫度t4=11， 4=0.6。試求：(1)頂棚的總輻射傳熱量(2)其它3個表面的凈輻射傳熱量。,解：本題可看作4個灰體表面組成的封閉的輻射傳熱問題，其輻射傳熱網(wǎng)絡如圖8-29所示。,.,35,各對表面間的角系數(shù)可按給定條件求出，其值為,按基爾霍夫定律寫出4個節(jié)點的電流方程：,.,36,把它們改寫成關(guān)于J1J4的代數(shù)方程后，有,顯然，以上4式可統(tǒng)一寫成,沒有自身的。數(shù)值求解的結(jié)果為：,.,37,表面相對位置的影響,A圖中兩表面無限接近，相互間

13、的換熱量最大； B圖中兩表面位于同一平面上，相互間的輻射換熱量為零。由圖可以看出，兩個表面間的相對位置不同時，一個表面發(fā)出而落到另一個表面上的輻射能的百分數(shù)隨之而異，從而影響到換熱量。,9-3 角系數(shù)的定義、性質(zhì)及計算,兩個表面之間的輻射換熱量與兩個表面之間的相對位置有很大關(guān)系,.,38,一、角系數(shù)的定義,角系數(shù)是空間熱阻的主要組成部分。 定義：把表面 1 發(fā)出的輻射能中落到表面 2 上的百分數(shù)稱為表面 1 對表面 2 的角系數(shù)，記為X1,2。,同理，表面 2 發(fā)出的輻射能中落到表面 1 上的百分數(shù)稱為表面 2 對表面 1 的角系數(shù)，記為X 2, 1。,二、角系數(shù)的性質(zhì),用代數(shù)法（代數(shù)分析法）

14、求解角系數(shù)的前提假定： （1）所研究的表面是漫射的； （2）在所研究表面的不同地點上向外發(fā)射的輻射熱流密度是均勻的。,.,39,一個微元表面到另一個微元表面的角系數(shù),兩微元面間的輻射, 角系數(shù)的互換性(相對性),Lb1：定向輻射強度，W/(m2sr),d：立體角，sr( 球面度 ),.,40,當 時，凈輻射換熱量為零，即,(1),同理：,(2),整理得：兩微元表面角系數(shù)的互換性,(3),則：有限大小表面間角系數(shù)的互換性,(4),.,41, 角系數(shù)的完整性 對于由幾個表面組成的封閉系統(tǒng)，據(jù)能量守衡原理，從任何一個表面發(fā)射出的輻射能必全部落到封閉系統(tǒng)的各表面上。因此，任何一個表面對封閉腔各表面的角

15、系數(shù)之間存在下列關(guān)系：,(5),角系數(shù)的完整性,注：若表面1為非凹表面時，X1,1 = 0； 若表面1為凹表面，,.,42, 角系數(shù)的分解性 從表面 1 上發(fā)出而落到表面 2 上的總能量，等于落到表面 2 上各部分的輻射能之和，于是有,如把表面 2 進一步分成若干小塊，則有,(6),面積基準不同！,.,43,從表面2上發(fā)出而落到表面1上的輻射能，等于從表面2的各部分發(fā)出而落到表面1上的輻射能之和，于是有,（8）,（7）,角系數(shù)的上述特性可以用來求解許多情況下兩表面間的角系數(shù)值。,.,44,工程上繪制圖線，求不同幾何結(jié)構(gòu)的角系數(shù)，見書P242-243。,三、角系數(shù)的計算方法1、直接積分法,按角系

16、數(shù)的基本定義通過求解多重積分，獲得角系數(shù),.,45,三個長非凹表面組成的封閉系統(tǒng),2、代數(shù)分析法,利用角系數(shù)的相對性、完整性及分解性，通過求解代數(shù)方程而獲得角系數(shù)的方法稱為代數(shù)分析法。 (1) 三個長非凹表面組成的封閉空腔 設：封閉空腔，忽略測漏,由角系數(shù)完整性,由角系數(shù)互換性,.,46,上述方程解得：,三個長非凹形表面組成的封閉系統(tǒng),若垂直屏幕方向的長度相同，則有：,問題：求X 1，2？,問題：求X 1，2？,.,47,(2) 任意兩個長非凹表面間的角系數(shù),添加假想表面，組成封閉腔。,兩個非凹表面及假想面組成的封閉空腔,利用上例結(jié)論：,.,48,求X1,4,(3) 利用角系數(shù)的分解性,方法：

17、利用分解性化簡成可利用圖表求取的問題,書P263 8，11,.,49,例題 用代數(shù)法確定圖中的鍋爐爐膛內(nèi)火焰對水冷壁管的輻射角系數(shù)。 解：三非凹面構(gòu)成的封閉系統(tǒng),計算火焰對水冷壁管的角系數(shù)X：,將這些關(guān)系式代入上式得,所以,.,50,例題：試確定圖8-15的表面1對表面2的角系數(shù)。 求 X1.2 但不能直接用，交換一下,由相對性知,先查,.,51,9-4 輻射換熱的強化與削弱,強化輻射換熱的主要途徑： 增加輻射面的發(fā)射率； 增加角系數(shù)。,削弱輻射換熱的主要途徑： 降低發(fā)射率； 降低角系數(shù)； 加入遮熱板。,若強化換熱， 應減少各串聯(lián)環(huán)節(jié)中的最大熱阻項。,.,52,若強化換熱，應減少各串聯(lián)環(huán)節(jié) 中

18、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,改變角系數(shù)。,.,53,遮熱板(radiation shield),遮熱板：插入兩輻射傳熱面之間的薄板。,計算輻射換熱量(設穩(wěn)態(tài)傳熱)： (1)無遮熱板時，q1,2 (2)加遮熱板前后的輻射熱阻網(wǎng)絡圖 (3)加遮熱板時， q1,2 ，q1,3，q3,2及其關(guān)系 (4)遮熱板的作用 (5)當1=2=3時，遮熱板的效果 (6)提高保溫效果的措施？ (7)熱阻圖中是否加入導熱、對流熱阻？,問題,.,54,計算(設穩(wěn)態(tài)傳熱)： (3)加遮熱板時， q1,2 ，q1,3，q3,2及其關(guān)系 (4)遮熱板的作用 (5)當1=2=3時，遮

19、熱板的效果 (6)提高保溫效果的措施？ (7)熱阻圖中是否加入導熱、對流熱阻？,作用： 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。,.,55,計算(設穩(wěn)態(tài)傳熱)： (5)當1=2=3時，遮熱板的效果 (6)提高遮熱效果的措施？ (7)熱阻圖中是否加入導熱、對流熱阻？,解： (6) 減小3 增加層數(shù) (7) 單獨畫輻射網(wǎng)絡,計算好輻射換熱后,再與其他換熱方式復合,.,56,遮熱板的應用,.,57,問題： 分析傳熱過程 傳熱平衡時，對熱電偶作熱量衡算 造成測溫誤差的原因 如何減小測溫誤差 加抽氣式遮熱罩，對熱電偶、遮熱罩分別作熱量衡算,熱電偶測氣體溫度時的測溫誤差,氣體與熱電偶對流換熱

20、量=熱電偶對管壁輻射換熱量,誤差原因： 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)小 熱電偶發(fā)射率大 壁溫低,減小誤差： 增大表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) 減小熱電偶發(fā)射率 壁面保溫 加遮熱罩,.,58,問題： (4)加抽氣式遮熱罩，對熱電偶、遮熱罩分別作熱量衡算,熱電偶測氣體溫度時的測溫誤差,熱電偶：氣體與熱電偶對流換熱量=熱電偶對遮熱罩輻射換熱量,遮熱罩的參數(shù)設置： 減小遮熱罩的發(fā)射率 采用多層,遮熱罩：氣體與遮熱罩對流+熱電偶對遮熱罩輻射=遮熱罩對管壁輻射換熱量,.,59,例題 用裸露熱電偶測得爐膛煙氣溫度 t1=792。已知水冷壁面溫度 tw=600，煙氣對熱電偶表面的對流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù) h=58.2 W/(m2.K)，熱電偶的

21、表面發(fā)射率1=0.3 ，試求爐膛煙氣的真實溫度和測溫誤差。 解：A1/A20熱電偶的輻射散熱和對流傳熱的能量平衡式為,于是,測溫誤差206.2,.,60,例題 用單層遮熱罩抽氣式熱電偶測爐膛煙氣溫。已知水冷壁面溫度 tw=600，熱電偶和遮熱罩的表面發(fā)射率都是0.3。由于抽氣的原因，煙氣對熱電偶和遮熱罩的對流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)增加到 h= 116W/(m2.K) 。當煙氣的真實溫度 tf=1000時，熱電偶的指示溫度為多少？ 解：煙氣以對流方式傳給遮熱罩內(nèi)外兩個表面的熱流密度q3為,遮熱罩對水冷壁的輻射散熱量q4為,在穩(wěn)態(tài)時q3=q4，于是遮熱罩的 平衡溫度t3可從(c)，(d)求出。,.,61

22、,采用跌代法或圖解法。求解的結(jié)果為 t3=903。 煙氣對熱電偶的對流傳熱量q1為,熱電偶對遮熱罩的輻射散熱量q2為,熱平衡時，q1=q2，于是可由(e)(f)求出熱電偶的平衡溫度，即熱電偶的指示溫度。通過圖解或迭代解得t1=951.2 。,測溫誤差,這樣的測溫誤差在工業(yè)上是可以接受的,.,62,一、概述,分子結(jié)構(gòu)對稱的雙原子氣體O2, N2, H2、空氣，可以認為是透熱的 分子結(jié)構(gòu)不對稱的雙原子、三原子、多原子氣體，CO，CO2，H2O，CH4，SO2，NH3，CmHn.既輻射也吸收 低溫度范圍內(nèi)，氣體輻射能力低，?？珊雎?。高溫(1000C)時，考慮。如鍋爐煙道氣, 9-5 氣體輻射,.,6

23、3,CO2 2.65-2.80 m 4.15-4.45 m 13.0-17.0 m H2O 2.55-2.84 m 5.60-7.60 m 12.0-30.0 m,光帶（narrow wavelength band): 具有輻射和吸收能力的波長段 溫室氣體（greenhouse gas) 京都議定書：二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亞氮(N2O) 、氫氟碳化合物(HFCs) 、全氟碳化合物(PFCs) 、六氟化硫(SF6),二、氣體輻射的特點特點1. 氣體輻射對波長有選擇性* 黑體的單色輻射力隨波長連續(xù)變化，滿足Planck定律* 實際物體E 隨的變化也是連續(xù)的* 氣體單色輻射力隨波長

24、不連續(xù),.,64,布格爾定律 Bouguers Law (氣體吸收定律),上式表明：光譜輻射強度在吸收性氣體中傳播時按指數(shù)規(guī)律衰減，稱為布格爾定理。,隨著射線行程的加大，輻射強度減小,k單色減弱系數(shù)(monochromatic absorption coefficient),1/m k=f（物質(zhì)的種類，波長，熱力學狀態(tài)） 當種類，溫度，密度一定時， k=const.,特點2. 氣體的輻射和吸收在整個容積中進行,.,65,容積性 壁面接受的輻射為各方向的輻射總和 為了簡化計算，引入射線平均行程,射線平均行程： 假設一個半球，其內(nèi)氣體的性質(zhì)、壓力、溫度與所研究問題相同，半球內(nèi)氣體對球心的輻射力，等

25、于所研究問題氣體對指定位置的輻射力，該半球的半徑為線平均行程。,計算：書253頁，表9-2,不規(guī)則形狀：,S：平均射線行程(Mean beam length),.,66,氣體反射率為零，有,根據(jù)Kirchhoff定律，光譜發(fā)射率為,三、氣體輻射的光譜吸收比、光譜發(fā)射率,單色： Beer公式可以寫為,1）計算,1、氣體的發(fā)射率,.,67,2）實驗：計算煙氣的發(fā)射率（組成：CO2+H2O）,1大氣壓下，,.,68,壓強的修正：,光帶重疊的修正：書P253 圖9-31,.,69,2、氣體的吸收比,式中修正系數(shù) 和 與發(fā)射率公式中的處理方法相同，而 ， 和 的確定可以采用下面的經(jīng)驗公式,氣體不是灰體,

26、.,70,在其體發(fā)射率和吸收比確定后，氣體與黑體外殼之間的輻射換熱公式為:,.,71,1、外殼為黑表面,四、氣體與外殼間的輻射換熱,q=氣體發(fā)射的熱量-氣體吸收的熱量,2、外殼為灰表面,g-以壁溫為基準 g-以氣體溫度為基準,.,72,q=氣體發(fā)射的熱量-氣體吸收的熱量,2、外殼為灰表面,g-以壁溫為基準 g-以氣體溫度為基準,取第一次 有效發(fā)射率,.,73,（1）波長范圍：, 9-6 太陽輻射1. 太陽輻射2. 大氣層的溫室效應3. 玻璃的溫室效應4. Low-E玻璃5. 選擇性表面6. 太陽能集熱器的熱分析,.,74, 9-6 太陽輻射2. 大氣層的溫室效應3. 玻璃的溫室效應4. Low

27、-E玻璃5. 選擇性表面6. 太陽能集熱器的熱分析,（2）太陽總輻照度,2.大氣層的溫室效應 太陽輻射：0.33um 地面輻射：多為350um，被大氣層中的溫室氣體吸收,.,75,3. 玻璃 對太陽短波輻射，透過率非常高； 對室內(nèi)物體的長波輻射，不透過，吸收率很高則自身溫度升高 4.Low-E玻璃 表面鍍低發(fā)射率（即長波高反射率）的金屬或半導體薄膜 5. 選擇性表面 對太陽輻射吸收率高， 而自身溫度下的 發(fā)射率很低,3. 玻璃的溫室效應4. Low-E玻璃5. 選擇性表面6. 太陽能集熱器的熱分析,.,76,問題：穩(wěn)態(tài)傳熱時 (1)對透明覆蓋(玻璃、塑料膜等)的要求 (2)對吸熱面的要求 (3)對吸熱面作熱量衡算 (4)對玻璃作