《辐射换热计算》PPT课件.ppt

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1、第九章 辐射换热计算Calculation of Radiation Heat Transfer,预备知识物体的辐射和吸收特性本章主要介绍物体间辐射换热的计算方法，包括：1.两个和多个表面所组成系统的辐射换热计算2.辐射换热中重要的几何因子角系数3.烟气的辐射特性及其与壳体间的辐射换热计算4.辐射的强化与削弱5.太阳辐射简介,一、任意位置两非凹黑表面间的辐射传热dA1投射到dA2的辐射能(即dA2吸收的)：,对于黑体：,代入得：,净辐射换热量：,dA2投射到dA1的辐射能(即dA2发射的),立体角定义中的面积为与法线垂直的面积,9-1 黑表面间的辐射传热,A1与A2间的净辐射换热量：,角系数,

2、A1与A2间的净辐射换热量：,角系数是一个几何量，只取决于表面的形状、大小和相对位置，与物体的辐射能力无关。,A1对A2的角系数：,同理，A2对A1的角系数：角系数的互换性净辐射换热量：,T1T2,净辐射换热量：,辐射空间热阻(geometric resistance，或形状热阻)取决于表面间的几何关系表面积或角系数越小，空间热阻越大。,特例：无限长平行黑体平壁,二、封闭空腔黑表面间的辐射传热空腔法：以实际或假想表面组成封闭空腔,表面i 与其它黑表面间的净辐射换热量：,i表面的净辐射换热量=i黑表面发射的-其他黑表面向i投出的,画热阻网络图：三个黑表面若:其中表面3绝热,3=0也称为重辐射面E

3、3 为浮动电位，其温度随其他表面辐射状况而改变例如：加热炉中的反射拱，绝热，作用为改变辐射线方向,三个黑表面组成的封闭空腔,书P229例9-1,重辐射面-即两重性 从温度上看，可以将其视为黑体；从能量上看，可以将其当作反射率为1的表面。所以重辐射表面是在一定条件下的黑体或白体。因为重辐射面的温度与其它表面的温度不同，所以重辐射面的存在改变了辐射能的方向分布。重辐射面的几何形状、尺寸及相对位置将影响整个系统的辐射换热。,T1,一、有效辐射指：单位时间内离开灰表面单位面积的总辐射能，J，W/m2,9-2 灰表面间的辐射换热,灰表面？,自身发射辐射E投入辐射 G 被反射辐射的部分（：表面的反射比，可

4、表示成1）辐射探测仪测量的为有效辐射,从表面 1 外部，净辐射换热量为：,从表面内部，该表面与外界的辐射换热量为：,联立消去G1，得J与表面净辐射换热量的关系:,灰表面1的净辐射换热量:,T1,二、两灰表面组成的封闭腔的辐射换热,两个等温漫灰表面封闭系统的辐射网络图：两表面间辐射换热量：,根据上式及能量守恒有,(a),(b),(c),(d),因为,推导过程：两等温漫灰表面间的辐射换热量：,系统发射率(或称为系统黑度)灰表面发射率小于1，引起多次吸收、反射数值小于1,若以A1为计算面积，上式可改写为：,三种特殊情形,(1)表面1为凸面或平面，此时，X1,21，于是,其中系统发射率为：,注：表面1

5、为凹面时，也可采用上述方法计算，但需换用有效面积,A1effect,实例：暖器、管道与房间,(2)表面积A1比表面积A2小得多，即A1/A2 0，X1,21,实例：大房间内的小物体(如高温管道等)气体容器内(或管道内)热电偶测温的辐射误差。,(3)表面积A1与表面积A2相当，即A1/A2 1,A1,A2,实例：平行平面暖水瓶,使用条件：漫灰面、等温、物性均匀以及投射辐射均匀三个灰表面组成封闭空腔(1)画出热阻网络图，4个表面？(2)计算i表面的净辐射换热量i(3)能否算i,j(4)有效辐射Ji的计算(5)表面3为黑表面(6)表面3为绝热面,三、多个灰表面系统辐射换热的计算1、网络法,节点 的热

6、流方程如下：,求解上面的方程组求Ji，再计算净换热量i。,类比：基尔霍夫电流定律-流入每个节点的电流为0,三个灰表面组成封闭空腔(1)画出热阻网络图，4个表面？(2)计算i表面的净辐射换热量i(3)能否算i,j(4)有效辐射Ji的计算(5)表面3为黑表面(6)表面3为绝热面,三、多个灰表面系统辐射换热的计算1、网络法,两个特例 有一个表面为黑体。,黑体的表面热阻为零J3 Eb3，3=-（1+2）,有一个表面绝热，即该表面的净换热量为零。,特点：30，J3Eb3T4 不与电源相连,与黑表面的区别：黑表面温度不随其他表面改变，净热量不一定为0；绝热面净热量为0，温度随其他表面状况改变。例如书P23

7、6,当一个表面为重辐射面时，其余两个表面间的净辐射换热量可按直接由网络图写出，,按电学原理，并联的等效电阻Req为,可求得1,2,二、数值解法,例：四个表面,表面个数多时，网络法计算繁琐，可采用数值解法,把它们改写成关于J1J4的代数方程后，有,以上4式可统一写成(参考 书P237)数值求解,表面再多，如此很难处理。这时可用公式与计算机结合N个表面构成的封闭系统，则第I个表面的有效辐射,第I个表面的投射辐射,代入有效辐射表达式,非凹假设没有必要 表面划分要以热边界条件为主要依据,例题 液氧储存容器为双壁镀银的夹层结构，外壁内表面温度tw1=20，内壁外表面温度tw2=-183，镀银壁的发射率=

8、0.02,试计算由于辐射传热每单位面积容器壁的散热量。,解：,因容器夹层的间隙很小，可认为属于无限大平行表面间的辐射传热问题。,例题 一根直径d=50mm，长度l=8m的钢管，被置于横断面为 0.2 m0.2m 的砖槽道内。若钢管温度和发射率分别为t1=250，1=0.79砖槽壁面温度和发射率分别为t2=250，2=0.93，试计算该钢管的辐射热损失。,解：因表面1非凹，可直接应用式(8-15)计算钢管的辐射热损失,例题 一直径d=0.75m的圆筒形埋地式加热炉采用电加热方法加热，如图。在操作过程中需要将炉子顶盖移去一段时间，设此时筒身温度为500K，筒底为650K。环境温度为300K，试计算

9、顶盖移去其间单位时间内的热损失。设筒身及底面均可作为黑体。,据角系数图，,再据相对性得,解：从加热炉的侧壁与底面通过顶部开口散失到厂房中的辐射热量几乎全被厂房中物体吸收，返回到炉中的比例几乎为零。因此，可以把炉顶看成是一个温度为环境温度的黑体表。面加热炉散失到厂房中的辐射能即为,由对称性得X2，3=X2，1，故最后得,例题 两块尺寸为1m2m，间距为1m的平行平板置于室温t3=27的大厂房内。平板背面不参与换热。已知两板的温度和发射率分别为t1=827，t2=327，1=0.2，2=0.5，试计算每个板的净辐射热量及厂房壁所得到的辐射热量。,解：本题是3个灰表面间的辐射传热问题。厂房很大，表面

10、热阻可取为零，J3=Eb3。网络图如下。据给定的几何特性X/D=2，Y/D=1，由图8-7查出：,而,计算网络中的各热阻值：,以上各热阻的数值都已标出在图8-27上。对J1，J2节点应用直流电路的基尔霍夫定律，J1节点,J2节点,而,将Eb1，Eb2，Eb3的值代入方程，联立求解得,于是，板1的辐射传热为:,板2的辐射传热为:,厂房墙壁的辐射传热量为:,例 假定例8-6中的大房间的墙壁为重辐射表面，在其他条件不变时，试计算温度较高表面的净辐射散热量。解：本题把房间墙壁看作绝热表面。其中,串、并联电路部分的等效电阻为:,故,Eb1、Eb2间总热阻,温度较高的表面的净辐射散热量为,例题 辐射采暖房

11、间，加热设施布置于顶棚，房间尺寸为4m 5m 3m见图8-28。据实测已知：顶棚表面温度t1=25，1=0.9；边墙2内表面温度为t2=10，1=0.8；其余三面边墙的内表面温度及发射率相同，将它们作为整体看待，统称为F3，t3=13，3=0.8,底面的表面温度t4=11，4=0.6。试求：(1)顶棚的总辐射传热量(2)其它3个表面的净辐射传热量。,解：本题可看作4个灰体表面组成的封闭的辐射传热问题，其辐射传热网络如图8-29所示。,各对表面间的角系数可按给定条件求出，其值为,按基尔霍夫定律写出4个节点的电流方程：,把它们改写成关于J1J4的代数方程后，有,显然，以上4式可统一写成,没有自身的

12、。数值求解的结果为：,表面相对位置的影响,A图中两表面无限接近，相互间的换热量最大；B图中两表面位于同一平面上，相互间的辐射换热量为零。由图可以看出，两个表面间的相对位置不同时，一个表面发出而落到另一个表面上的辐射能的百分数随之而异，从而影响到换热量。,9-3 角系数的定义、性质及计算,两个表面之间的辐射换热量与两个表面之间的相对位置有很大关系,一、角系数的定义,角系数是空间热阻的主要组成部分。定义：把表面 1 发出的辐射能中落到表面 2 上的百分数称为表面 1 对表面 2 的角系数，记为X1,2。,同理，表面 2 发出的辐射能中落到表面 1 上的百分数称为表面 2 对表面 1 的角系数，记为

13、X 2,1。,二、角系数的性质,用代数法（代数分析法）求解角系数的前提假定：（1）所研究的表面是漫射的；（2）在所研究表面的不同地点上向外发射的辐射热流密度是均匀的。,一个微元表面到另一个微元表面的角系数,两微元面间的辐射,角系数的互换性(相对性),Lb1：定向辐射强度，W/(m2sr),d：立体角，sr(球面度),当 时，净辐射换热量为零，即,(1),同理：,(2),整理得：两微元表面角系数的互换性,(3),则：有限大小表面间角系数的互换性,(4),角系数的完整性 对于由几个表面组成的封闭系统，据能量守衡原理，从任何一个表面发射出的辐射能必全部落到封闭系统的各表面上。因此，任何一个表面对封闭

14、腔各表面的角系数之间存在下列关系：,(5),角系数的完整性,注：若表面1为非凹表面时，X1,1=0；若表面1为凹表面，,角系数的分解性 从表面 1 上发出而落到表面 2 上的总能量，等于落到表面 2 上各部分的辐射能之和，于是有,如把表面 2 进一步分成若干小块，则有,(6),面积基准不同！,从表面2上发出而落到表面1上的辐射能，等于从表面2的各部分发出而落到表面1上的辐射能之和，于是有,（8）,（7）,角系数的上述特性可以用来求解许多情况下两表面间的角系数值。,工程上绘制图线，求不同几何结构的角系数，见书P242-243。,三、角系数的计算方法1、直接积分法,按角系数的基本定义通过求解多重积

15、分，获得角系数,三个长非凹表面组成的封闭系统,2、代数分析法,利用角系数的相对性、完整性及分解性，通过求解代数方程而获得角系数的方法称为代数分析法。(1)三个长非凹表面组成的封闭空腔设：封闭空腔，忽略测漏,由角系数完整性,由角系数互换性,上述方程解得：,三个长非凹形表面组成的封闭系统,若垂直屏幕方向的长度相同，则有：,问题：求X 1，2？,问题：求X 1，2？,(2)任意两个长非凹表面间的角系数,添加假想表面，组成封闭腔。,两个非凹表面及假想面组成的封闭空腔,利用上例结论：,求X1,4,(3)利用角系数的分解性,方法：利用分解性化简成可利用图表求取的问题,书P263 8，11,例题 用代数法确

16、定图中的锅炉炉膛内火焰对水冷壁管的辐射角系数。解：三非凹面构成的封闭系统,计算火焰对水冷壁管的角系数X：,将这些关系式代入上式得,所以,例题：试确定图8-15的表面1对表面2的角系数。求 X1.2但不能直接用，交换一下,由相对性知,先查,9-4 辐射换热的强化与削弱,强化辐射换热的主要途径：增加辐射面的发射率；增加角系数。,削弱辐射换热的主要途径：降低发射率；降低角系数；加入遮热板。,若强化换热，应减少各串联环节中的最大热阻项。,若强化换热，应减少各串联环节 中的最大热阻项。,改变表面积。,改变表面发射率。,若：,增大表面A1面积,改变角系数。,遮热板(radiation shield),遮热

17、板：插入两辐射传热面之间的薄板。,计算辐射换热量(设稳态传热)：(1)无遮热板时，q1,2(2)加遮热板前后的辐射热阻网络图(3)加遮热板时，q1,2，q1,3，q3,2及其关系(4)遮热板的作用(5)当1=2=3时，遮热板的效果(6)提高保温效果的措施？(7)热阻图中是否加入导热、对流热阻？,问题,计算(设稳态传热)：(3)加遮热板时，q1,2，q1,3，q3,2及其关系(4)遮热板的作用(5)当1=2=3时，遮热板的效果(6)提高保温效果的措施？(7)热阻图中是否加入导热、对流热阻？,作用：增大了原系统的热阻，使换热表面之间的辐射换热受到阻碍。,计算(设稳态传热)：(5)当1=2=3时，遮

18、热板的效果(6)提高遮热效果的措施？(7)热阻图中是否加入导热、对流热阻？,解：(6)减小3增加层数(7)单独画辐射网络,计算好辐射换热后,再与其他换热方式复合,遮热板的应用,问题：分析传热过程传热平衡时，对热电偶作热量衡算造成测温误差的原因如何减小测温误差加抽气式遮热罩，对热电偶、遮热罩分别作热量衡算,热电偶测气体温度时的测温误差,气体与热电偶对流换热量=热电偶对管壁辐射换热量,误差原因：表面传热系数小热电偶发射率大壁温低,减小误差：增大表面传热系数减小热电偶发射率壁面保温加遮热罩,问题：(4)加抽气式遮热罩，对热电偶、遮热罩分别作热量衡算,热电偶测气体温度时的测温误差,热电偶：气体与热电偶

19、对流换热量=热电偶对遮热罩辐射换热量,遮热罩的参数设置：减小遮热罩的发射率采用多层,遮热罩：气体与遮热罩对流+热电偶对遮热罩辐射=遮热罩对管壁辐射换热量,例题 用裸露热电偶测得炉膛烟气温度 t1=792。已知水冷壁面温度 tw=600，烟气对热电偶表面的对流传热表面传热系数 h=58.2 W/(m2.K)，热电偶的表面发射率1=0.3，试求炉膛烟气的真实温度和测温误差。解：A1/A20热电偶的辐射散热和对流传热的能量平衡式为,于是,测温误差206.2,例题 用单层遮热罩抽气式热电偶测炉膛烟气温。已知水冷壁面温度 tw=600，热电偶和遮热罩的表面发射率都是0.3。由于抽气的原因，烟气对热电偶和

20、遮热罩的对流传热表面传热系数增加到 h=116W/(m2.K)。当烟气的真实温度 tf=1000时，热电偶的指示温度为多少？解：烟气以对流方式传给遮热罩内外两个表面的热流密度q3为,遮热罩对水冷壁的辐射散热量q4为,在稳态时q3=q4，于是遮热罩的平衡温度t3可从(c)，(d)求出。,采用跌代法或图解法。求解的结果为 t3=903。烟气对热电偶的对流传热量q1为,热电偶对遮热罩的辐射散热量q2为,热平衡时，q1=q2，于是可由(e)(f)求出热电偶的平衡温度，即热电偶的指示温度。通过图解或迭代解得t1=951.2。,测温误差,这样的测温误差在工业上是可以接受的,一、概述,分子结构对称的双原子气

21、体O2,N2,H2、空气，可以认为是透热的分子结构不对称的双原子、三原子、多原子气体，CO，CO2，H2O，CH4，SO2，NH3，CmHn.既辐射也吸收低温度范围内，气体辐射能力低，常可忽略。高温(1000C)时，考虑。如锅炉烟道气,9-5 气体辐射,CO2 2.65-2.80 m 4.15-4.45 m 13.0-17.0 mH2O 2.55-2.84 m 5.60-7.60 m 12.0-30.0 m,光带（narrow wavelength band):具有辐射和吸收能力的波长段温室气体（greenhouse gas)京都议定书：二氧化碳(CO2)、甲烷(CH4)、氧化亚氮(N2O)、

22、氢氟碳化合物(HFCs)、全氟碳化合物(PFCs)、六氟化硫(SF6),二、气体辐射的特点特点1.气体辐射对波长有选择性*黑体的单色辐射力随波长连续变化，满足Planck定律*实际物体E 随的变化也是连续的*气体单色辐射力随波长不连续,布格尔定律 Bouguers Law(气体吸收定律),上式表明：光谱辐射强度在吸收性气体中传播时按指数规律衰减，称为布格尔定理。,随着射线行程的加大，辐射强度减小,k单色减弱系数(monochromatic absorption coefficient),1/mk=f（物质的种类，波长，热力学状态）当种类，温度，密度一定时，k=const.,特点2.气体的辐射和

23、吸收在整个容积中进行,容积性 壁面接受的辐射为各方向的辐射总和 为了简化计算，引入射线平均行程,射线平均行程：假设一个半球，其内气体的性质、压力、温度与所研究问题相同，半球内气体对球心的辐射力，等于所研究问题气体对指定位置的辐射力，该半球的半径为线平均行程。,计算：书253页，表9-2,不规则形状：,S：平均射线行程(Mean beam length),气体反射率为零，有,根据Kirchhoff定律，光谱发射率为,三、气体辐射的光谱吸收比、光谱发射率,单色：Beer公式可以写为,1）计算,1、气体的发射率,2）实验：计算烟气的发射率（组成：CO2+H2O）,1大气压下，,压强的修正：,光带重叠

24、的修正：书P253 图9-31,2、气体的吸收比,式中修正系数 和 与发射率公式中的处理方法相同，而，和 的确定可以采用下面的经验公式,气体不是灰体,在其体发射率和吸收比确定后，气体与黑体外壳之间的辐射换热公式为:,1、外壳为黑表面,四、气体与外壳间的辐射换热,q=气体发射的热量-气体吸收的热量,2、外壳为灰表面,g-以壁温为基准g-以气体温度为基准,q=气体发射的热量-气体吸收的热量,2、外壳为灰表面,g-以壁温为基准g-以气体温度为基准,取第一次有效发射率,（1）波长范围：,9-6 太阳辐射1.太阳辐射2.大气层的温室效应3.玻璃的温室效应4.Low-E玻璃5.选择性表面6.太阳能集热器的

25、热分析,9-6 太阳辐射2.大气层的温室效应3.玻璃的温室效应4.Low-E玻璃5.选择性表面6.太阳能集热器的热分析,（2）太阳总辐照度,2.大气层的温室效应太阳辐射：0.33um地面辐射：多为350um，被大气层中的温室气体吸收,3.玻璃对太阳短波辐射，透过率非常高；对室内物体的长波辐射，不透过，吸收率很高则自身温度升高4.Low-E玻璃表面镀低发射率（即长波高反射率）的金属或半导体薄膜5.选择性表面对太阳辐射吸收率高，而自身温度下的发射率很低,3.玻璃的温室效应4.Low-E玻璃5.选择性表面6.太阳能集热器的热分析,问题：稳态传热时(1)对透明覆盖(玻璃、塑料膜等)的要求(2)对吸热面

26、的要求(3)对吸热面作热量衡算(4)对玻璃作热量衡算(5)强化热流量的措施,6.太阳能集热器的热分析,答：(1)温室效应，即对太阳辐射透射率高，对长波辐射透射率低(2)选择性表面，即对太阳辐射吸收率高，自身温度下发射率低,问题：稳态传热时(3)对吸热面作热量衡算(4)对玻璃作热量衡算(5)强化热流量的措施,6.太阳能集热器的热分析,答：(3)导热传给水管的热量=吸收太阳辐射-向玻璃的辐射散热-向夹层空间对流传热,=-,问题：稳态传热时(4)对玻璃作热量衡算(5)强化热流量的措施,6.太阳能集热器的热分析,答：(4)吸收太阳辐射+吸热面辐射+夹层空间对流=向外界空气对流+向外界空间辐射,+=+,

27、问题：稳态传热时(5)强化热流量的措施,6.太阳能集热器的热分析,答：增加吸热面太阳辐射(提高玻璃透射率、吸热面吸收率)减少向玻璃辐射散热(减小吸热面、玻璃发射率)减少向夹层换热(减小当量导热系数，如抽真空)保温材料保温性能好，减小热损失,=-,+=+,例题 在直径为1m，长2m的圆形烟道中，有温度为1027的烟气通过。若烟气总压力为105Pa，其中二氧化碳占10%，水蒸气占8%，其余为不辐射气体，试计算烟气对整个包壁的平均发射率。解；由表8-11查得平均射线程长：,于是,据烟气温度Tg=(1027+273)=1300K，及,值分别,由图8-39，8-41查得,计算参量,分别从图8-40，8-42，8-43查得,把以上各值代入式(8-31)得,例题 若上例的烟道壁温为tw=527，其它条件不便，试确定烟气对外壳辐射的吸收比。解：计算如下参量,据这些参量和Tw=800K，从图8-39，8-41分别查得,于是,再据,修正系数,在图8-43上查得,已在上例中确定。于是据式(8-33b)，气体吸收比为,例题 试求在上例条件下，烟气与黑体外壳之间的辐射传热量。,解：直接用式(8-34)计算：,作业P263 5，6，11，12，15，16，22，26，27，28，30，32，37,