第八章辐射换热的计算优秀课件.ppt

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1、第八章辐射换热的计算第1页，本讲稿共76页两个表面之间的辐射换热量与两个表面之间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的相对位置有很大关系8-1 8-1 角系数的定义、性质及计算角系数的定义、性质及计算图图8-1 表面相对位置的影响表面相对位置的影响第2页，本讲稿共76页va a图中两表面无限接近，相互间的换热量最大；图中两表面无限接近，相互间的换热量最大；b b图中两表面位于同一平面上，相互间的辐射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对位置不同时，一个

2、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，从而影响到面上的辐射能的百分数随之而异，从而影响到换热量。换热量。第3页，本讲稿共76页一一.角系数的定义角系数的定义 角角系系数数是是进进行行辐辐射射换换热热计计算算时时空空间间热热组组的的主主要组成部分。要组成部分。定定义义：把把表表面面1 1发发出出的的辐辐射射能能中中落落到到表表面面2 2上上的的百百分分数数称称为为表表面面1 1对对表表面面2 2的的角角系系数数，记记为为X X1,21,2。同理，表面同理，表面1 1发出发出的辐射能中的辐射能中落到落到表面表面2 2上上的的百分数百分数称为表面称为表面1 1对表面对表面2 2的角系数

3、，记为的角系数，记为X X 2,12,1第4页，本讲稿共76页二二.角系数的性质角系数的性质研究角系数的性质是用代数法（代数分析法）研究角系数的性质是用代数法（代数分析法）求解角系数的前提：求解角系数的前提：假定：假定：（1 1）所研究的表面是漫射的所研究的表面是漫射的 （2 2）在所研究表面的不同地点上向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外发射的辐射热流密度是均匀的第5页，本讲稿共76页1 1、角系数的相对性、角系数的相对性一个微元表面到另一个微元表面的角系数一个微元表面到另一个微元表面的角系数(1)第6页，本讲稿共76页图图8-2 8-2 两微元面间的辐射两微元面间的辐

4、射第7页，本讲稿共76页同理：同理：整理（整理（1 1）、（）、（2 2）式得：）式得：(2)(3)两微元表面角系数的相对性表达式：两微元表面角系数的相对性表达式：第8页，本讲稿共76页（2 2）两个有限大小表面之间角系数的相对性）两个有限大小表面之间角系数的相对性当当 时，净辐射换热量为零，即时，净辐射换热量为零，即则有限大小表面间角系数的相对性的表达式则有限大小表面间角系数的相对性的表达式：(4)第9页，本讲稿共76页 2 2、角系数的完整性、角系数的完整性 对于由几个表面组成的封闭系统，据能量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守衡原理，从任何一个

5、表面发射出的辐射能必全部落到封闭系统的个表面上。因此，任何一全部落到封闭系统的个表面上。因此，任何一个表面对封闭腔各表面的角系数之间存在下列个表面对封闭腔各表面的角系数之间存在下列关系：关系：(5)第10页，本讲稿共76页图图8-3 角系数的完整性角系数的完整性上式称为角系数的完整性。上式称为角系数的完整性。注：注：若表面若表面1 1为非凹表面时，为非凹表面时，X X1,11,1=0=0；若表面；若表面1 1为凹表面，为凹表面，第11页，本讲稿共76页 3 3、角系数的可加性、角系数的可加性 如图如图8-48-4所示从表面所示从表面1 1上发出而落到表面上发出而落到表面2 2上的上的总能量，等

6、于落到表面总能量，等于落到表面2 2上各部分的辐射能之和，上各部分的辐射能之和，于是有于是有如把表面如把表面2 2进一步分成若干小块，则有进一步分成若干小块，则有(6)第12页，本讲稿共76页图图8-4 角系数的可加性角系数的可加性 注意，利用角系数可加性时，注意，利用角系数可加性时，只有对角系只有对角系数符号中第二个角码是可加的，对角系数符号数符号中第二个角码是可加的，对角系数符号中的第一个角码则不存在类似的关系。中的第一个角码则不存在类似的关系。第13页，本讲稿共76页 从从表面表面2 2上上发出发出而而落到表面落到表面1 1上的辐射能，上的辐射能，等于等于从从表表面面2 2的的各部分发出

7、各部分发出而而落到表面落到表面1 1上上的辐射能之和，于是有的辐射能之和，于是有 角系数的上述特性可以用来求解许多情况下两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表面间的角系数值(7)(8)第14页，本讲稿共76页三、角系数的计算方法三、角系数的计算方法 直接积分法直接积分法代数分析法代数分析法几何分析法几何分析法求解角系数的方法求解角系数的方法第15页，本讲稿共76页1 1、直接积分法、直接积分法按角系数的基本定义通过求解多重积分而获得角系数按角系数的基本定义通过求解多重积分而获得角系数的方法的方法如图所示的两个有限大小的面积，可以得到如图所示的两个有限大小的面积，可以得到微

8、元面积微元面积 对对 的角系数为的角系数为第16页，本讲稿共76页上式积分可得上式积分可得即即第17页，本讲稿共76页2 2、代数分析法、代数分析法 利用角系数的相对性、完整性及可加性，通过求利用角系数的相对性、完整性及可加性，通过求解代数方程而获得角系数的方法称为代数分析法。解代数方程而获得角系数的方法称为代数分析法。(1)(1)三个非凹表面组成的封闭系统三个非凹表面组成的封闭系统图图8-5 8-5 三个非凹表面组成的封闭系统三个非凹表面组成的封闭系统第18页，本讲稿共76页由角系数完整性由角系数完整性由角系数相对性由角系数相对性第19页，本讲稿共76页上述方程解得：上述方程解得：由于垂直纸

9、面方向的长度相同，则有：由于垂直纸面方向的长度相同，则有：第20页，本讲稿共76页(2)(2)任意两个非凹表面间的角系数任意两个非凹表面间的角系数 如图所示表面和假定在垂直于纸面的方向如图所示表面和假定在垂直于纸面的方向上表面的长度是无限延伸的上表面的长度是无限延伸的 ，只有封闭系统才，只有封闭系统才能应用角系数的完整性，为此作辅助线能应用角系数的完整性，为此作辅助线acac和和bdbd，与，与abab、cdcd一起构成封闭腔。一起构成封闭腔。第21页，本讲稿共76页图图8-6 8-6 两个非凹表面及假想面组成的两个非凹表面及假想面组成的封闭系统封闭系统第22页，本讲稿共76页根据角系数的完整

10、性：根据角系数的完整性：第23页，本讲稿共76页 上述方法又被称为上述方法又被称为交叉线法交叉线法。注意：这里所谓的。注意：这里所谓的交叉线和不交叉线都是指虚拟面断面的线，或者说是辅交叉线和不交叉线都是指虚拟面断面的线，或者说是辅助线。助线。第24页，本讲稿共76页例题例题8-18-1，求下列图形中的角系数，求下列图形中的角系数解解：第25页，本讲稿共76页解：解：解：解：解：解：第26页，本讲稿共76页解解：注：利用这样的分析方法，扩大线图的使用，可以得出很多几何结构简单的角系数注：利用这样的分析方法，扩大线图的使用，可以得出很多几何结构简单的角系数例题例题8-2：求图中：求图中1、4两个表

11、面之间的角系数两个表面之间的角系数第27页，本讲稿共76页一、两黑体表面组成的封闭腔间的辐射换热计算一、两黑体表面组成的封闭腔间的辐射换热计算 如图如图8-78-7所示，黑表面所示，黑表面1 1和和2 2之间的辐射换热量为之间的辐射换热量为8-2 8-2 被透明介质隔开的被透明介质隔开的 两固体表面间的辐射换热两固体表面间的辐射换热第28页，本讲稿共76页图图8-7 黑体系统的辐射换热黑体系统的辐射换热第29页，本讲稿共76页（2 2）有有效效辐辐射射：单单位位时时间间内内离离开开单单位位面面积积的的总总辐辐射射能能为为该表面的有效辐射，记为该表面的有效辐射，记为J J。表表面面的的反反射射比

12、比，可可表表示示成成有有效效辐辐射射包包括括自自身身射射辐辐射射E投投入入辐辐射射 被被反反射射辐辐射射的的部部分分1、有效辐射、有效辐射（1 1）投入辐射）投入辐射：单位时间内投射到单位面积上的总辐射能，：单位时间内投射到单位面积上的总辐射能，记为记为G G。二、两漫灰表面组成的封闭系统的辐二、两漫灰表面组成的封闭系统的辐射换热计算射换热计算第30页，本讲稿共76页 图图8-8 有效辐射示意图有效辐射示意图第31页，本讲稿共76页 考考察表面温度均匀、表面辐射特性为常数的表面察表面温度均匀、表面辐射特性为常数的表面1 1（如图（如图8-88-8所示）。根据有效辐射的定义，所示）。根据有效辐射

13、的定义，表面表面1 1的有效辐射有如的有效辐射有如下表达式：下表达式：在表面外能感受到的表面辐射就是有效辐射，它也在表面外能感受到的表面辐射就是有效辐射，它也是用辐射探测仪能测量到的单位表面积上的辐射功率是用辐射探测仪能测量到的单位表面积上的辐射功率 。第32页，本讲稿共76页 从表面从表面1 1外部来观察，其外部来观察，其能量收支差额能量收支差额应等应等于有效辐射于有效辐射 与投入辐射与投入辐射 之差，即之差，即 从表面内部观察，从表面内部观察，该表面与外界的辐射换热该表面与外界的辐射换热量应为：量应为：第33页，本讲稿共76页 上两式联立，消去上两式联立，消去G G1 1，得到，得到J J

14、与表面净辐射与表面净辐射换热量之间的关系换热量之间的关系:注意：式中的各个量均是对同一表面而言的，注意：式中的各个量均是对同一表面而言的，而且以向外界的净放热量为正值。而且以向外界的净放热量为正值。第34页，本讲稿共76页2、两灰表面组成的封闭腔的辐射换热、两灰表面组成的封闭腔的辐射换热图图8-9 8-9 两个物体组成的辐射换热系统两个物体组成的辐射换热系统第35页，本讲稿共76页下面来分析两个等温漫灰表面封闭系统内的辐射换热情况。下面来分析两个等温漫灰表面封闭系统内的辐射换热情况。如图如图8-98-9所示，两个表面的净换热量为所示，两个表面的净换热量为根据下式及能量守恒有根据下式及能量守恒有

15、(a)(b)(c)(d)第36页，本讲稿共76页将将(b)(b)、(c)(c)、(d)(d)代入代入(a)(a)得得图图8-10 两封闭表面间的辐射换热网络图两封闭表面间的辐射换热网络图第37页，本讲稿共76页若以若以 为计算面积，上式可改写为：为计算面积，上式可改写为：定义系统黑度定义系统黑度(或称为系统发射率或称为系统发射率)第38页，本讲稿共76页三种特殊情形三种特殊情形(1)(1)表面表面1 1为凸面或平面，此时，为凸面或平面，此时，X X1,21,21 1，于是，于是(2)(2)表面积表面积A A1 1比表面积比表面积A A2 2小得多，即小得多，即A A1 1/A/A2 2 0 0

16、 于是于是(3)(3)表面积表面积A A1 1与表面积与表面积A A2 2相当，即相当，即A A1 1/A/A2 2 1 1 于是于是第39页，本讲稿共76页(1)(1)两平行平壁间的辐射换热两平行平壁间的辐射换热且且举例举例第40页，本讲稿共76页(2)(2)空腔与内包壁间的辐射换热空腔与内包壁间的辐射换热 若若 ，且且 较大，如车间内的采暖板、较大，如车间内的采暖板、热力管道，测温传感器等都属于此种情况热力管道，测温传感器等都属于此种情况第41页，本讲稿共76页讨论练习：讨论练习：某房间吊装一水银温度计读数为某房间吊装一水银温度计读数为15，已知温度计头部发射率（黑度）为，已知温度计头部发

17、射率（黑度）为0.9，头部与室内空气间的对流换热系数为，头部与室内空气间的对流换热系数为20，墙表面温度为，墙表面温度为10，求该温度计，求该温度计的测量误差。如何减小测量误差？的测量误差。如何减小测量误差？已已知知 ，求求测测温温误误差差？解解：第42页，本讲稿共76页据有效辐射的计算式据有效辐射的计算式或或（8-18）1.势差与热阻势差与热阻 8-3 8-3 多表面系统辐射换热的计算多表面系统辐射换热的计算第43页，本讲稿共76页又据两个表面的净换热量为又据两个表面的净换热量为由此得到由此得到（8-19）第44页，本讲稿共76页 将式（将式（8-188-18）、（）、（8-198-19）与

18、电学中的欧）与电学中的欧姆定律相比可见：换热量姆定律相比可见：换热量 相当于电流强相当于电流强度；度；或或 相当于电势差；相当于电势差；而而 及及 则相当于电阻，分别称为则相当于电阻，分别称为辐射换热表面的辐射换热表面的表面辐射热阻表面辐射热阻及及空间辐射热空间辐射热阻。阻。相当于电源电势，而相当于电源电势，而 则相当于节则相当于节点电压。则点电压。则两个辐射热阻的等效电路如图所两个辐射热阻的等效电路如图所示：示：第45页，本讲稿共76页（a a）表面辐射热阻表面辐射热阻（b b）空间辐射热阻空间辐射热阻第46页，本讲稿共76页 利用上述两个单元格电路，可以容易地画利用上述两个单元格电路，可以

19、容易地画出组成封闭系统的两个灰体表面间辐射换热的出组成封闭系统的两个灰体表面间辐射换热的等效网络，等效网络，如图所示如图所示。根据等效网络，可以立根据等效网络，可以立即写出换热量计算式：即写出换热量计算式：第47页，本讲稿共76页两表面封闭系统辐射换热等效网络图两表面封闭系统辐射换热等效网络图第48页，本讲稿共76页 这种把辐射热阻比拟成等效的电阻从而这种把辐射热阻比拟成等效的电阻从而通过等校的网络图来求解辐射换热的方法成为通过等校的网络图来求解辐射换热的方法成为辐射换热的辐射换热的网络法网络法。应用网络法求解多表面封闭系统辐射换热问题的应用网络法求解多表面封闭系统辐射换热问题的步骤步骤：（1

20、 1）画出等效的网络图。）画出等效的网络图。（2 2）列出节点的电流方程）列出节点的电流方程第49页，本讲稿共76页（3 3）求解上述代数方程得出节点电势。）求解上述代数方程得出节点电势。（4 4）按公式）按公式 确定每一个表确定每一个表 面的净辐射换热量。面的净辐射换热量。第50页，本讲稿共76页2.网络法的应用举例网络法的应用举例以图（以图（a a）所示的三表面的辐射换热问题为例画出图（）所示的三表面的辐射换热问题为例画出图（b b）的等效网）的等效网络图络图(a)(a)由三个表面组成的封闭系统由三个表面组成的封闭系统(b)(b)三表面封闭腔的等效网络图三表面封闭腔的等效网络图第51页，本

21、讲稿共76页a a 有一个表面为黑体。有一个表面为黑体。黑体的表面热阻为零黑体的表面热阻为零。其网络图见图其网络图见图8-14a8-14a。b b 有一个表面绝热，有一个表面绝热，即该表面的净换热量即该表面的净换热量为零为零。其网络图见图。其网络图见图8-14b 8-14b 和和8-14c8-14c，3.3.两个重要特例两个重要特例第52页，本讲稿共76页三表面系统的两个特例三表面系统的两个特例 第53页，本讲稿共76页8-4 8-4 辐射换热的强化与削弱辐射换热的强化与削弱强化辐射换热强化辐射换热的主要途径有两种：的主要途径有两种：(1)(1)增加发射率；增加发射率；(2)(2)增加角系数。

22、增加角系数。削弱辐射换热削弱辐射换热的主要途径有三种：的主要途径有三种：(1)(1)降低发射率；降低发射率；(2)(2)降低角系数；降低角系数；(3)(3)加入遮热板。加入遮热板。第54页，本讲稿共76页 所谓所谓遮热板遮热板，是指插入两个辐射换热表面之间，是指插入两个辐射换热表面之间以削弱辐射换热的薄板，其实插入遮热板相当于降以削弱辐射换热的薄板，其实插入遮热板相当于降低了表面发射率。本节主要讨论这种削弱辐射换热低了表面发射率。本节主要讨论这种削弱辐射换热的方式。的方式。为了说明遮热板的工作原理，我们来分析为了说明遮热板的工作原理，我们来分析在平行平板之间插入一块薄金属板所引起的辐在平行平板

23、之间插入一块薄金属板所引起的辐射换热的变化射换热的变化:第55页，本讲稿共76页稳态时有稳态时有:可见，与没有遮热板时相比，辐射换热量减小可见，与没有遮热板时相比，辐射换热量减小了一半。了一半。辐射表面和金属板的温度、吸收比如图所示。辐射表面和金属板的温度、吸收比如图所示。为讨论为讨论方便，方便，设平板和金属薄板都是灰体，设平板和金属薄板都是灰体，并且并且第56页，本讲稿共76页遮热板遮热板第57页，本讲稿共76页 8-5 8-5 气体辐射气体辐射 本本节节将将简简要要介介绍绍气气体体辐辐射射的的特特点点、换换热热过过程程及及其其处处理理方方法法。在在工工程程中中常常见见的的温温度度范范围围内

24、内 ，和和 具具有有很很强强的的吸吸收收和和发发射射热热辐辐射射的的本本领领，而而其其他他的的气气体体则则较较弱弱，这这也也是是本本节节采采用用这这两种气体作为例子的原因。两种气体作为例子的原因。第58页，本讲稿共76页1 1 气体辐射的特点气体辐射的特点 (1)(1)气体辐射对波长具有选择性。气体辐射对波长具有选择性。它只在某它只在某谱带内具有发射和吸收辐射的本领，而对于其谱带内具有发射和吸收辐射的本领，而对于其他谱带则呈现透明状态。如图他谱带则呈现透明状态。如图8-168-16所示。所示。(2)(2)气体的辐射和吸收是在整个容积中进行气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的的，因而，气体的发射

25、率和吸收比还与容器的，因而，气体的发射率和吸收比还与容器的形状和容积大小有关。形状和容积大小有关。第59页，本讲稿共76页 和和 的主要吸收谱带的主要吸收谱带光谱辐射穿过气体层时的衰减光谱辐射穿过气体层时的衰减 第60页，本讲稿共76页2 2 气体辐射的衰减规律气体辐射的衰减规律当当热热辐辐射射进进入入吸吸收收性性气气体体层层时时，因因沿沿途途被被气气体体吸吸收收而而衰衰减减。为为了了考考察察辐辐射射在在气气体体内内的的衰衰减减规规律律，如如图图8-178-17所所示示，我我们们假假设设投投射射到到气气体体界界面面 x x =0 0 处处的的光光谱谱辐辐射射强强度度为为 ，通通过过一一段段距距

26、离离x x后后，该该辐辐射射变变为为 。再再通通过过微微元元气气体体层层 d dx x 后后，其衰减量为其衰减量为 。第61页，本讲稿共76页理论上已经证明，理论上已经证明，与行程与行程 d dx x 成正比，设比例系成正比，设比例系数为数为 ，则有，则有式中，负号表示吸收，式中，负号表示吸收，为为光谱衰减系数光谱衰减系数，m m-1-1，它取，它取决于其体的种类、密度和波长。对上式进行积分可得决于其体的种类、密度和波长。对上式进行积分可得第62页，本讲稿共76页即即Beer Beer 定律定律 式式中中，s s 是是辐辐射射通通过过的的路路程程长长度度，常常称称之之为为射射线线程长程长。从上

27、式可知，。从上式可知，热辐射在气体内呈指数规律衰减。热辐射在气体内呈指数规律衰减。第63页，本讲稿共76页3 3 气体辐射的光谱吸收比、光谱发射率气体辐射的光谱吸收比、光谱发射率BeerBeer公式可以写为公式可以写为光谱穿透比光谱穿透比对于气体，反射率为零，于是有对于气体，反射率为零，于是有根据根据KirchhoffKirchhoff定律，光谱发射率为定律，光谱发射率为第64页，本讲稿共76页4 4 气体的发射率气体的发射率1 1）确定气体的发射率）确定气体的发射率 2 2）利用）利用 计算气体的发射辐射。计算气体的发射辐射。与射线程长关与射线程长关s s系密切，而系密切，而s s取决于气体

28、容积取决于气体容积的形状和尺寸。的形状和尺寸。如图如图8-188-18所示。所示。3 3）为了使射线程长均匀，人们引入了）为了使射线程长均匀，人们引入了当量半球当量半球的概念的概念，其半径就是等效的射线程长，见图其半径就是等效的射线程长，见图8-198-19所示。所示。第65页，本讲稿共76页 典型几何容积的气体对整个包壁的平均射线典型几何容积的气体对整个包壁的平均射线程长列于表程长列于表8-18-1中。中。在缺少资料的情况下，在缺少资料的情况下，任意几个形状气体任意几个形状气体对整个包壁的平均射线程长可按下式计算：对整个包壁的平均射线程长可按下式计算：式中，式中，V V为气体容积，为气体容积

29、，m m3 3；A A为包壁面积，为包壁面积，m m2 2。第66页，本讲稿共76页图图8-18 8-18 气体对不同气体对不同地区的辐射地区的辐射图图8-19 8-19 半球内气体对球心的辐射半球内气体对球心的辐射第67页，本讲稿共76页 除了与除了与s s有关外，还与气体的温度和气体得有关外，还与气体的温度和气体得分压力有关，于是我们有如下关系分压力有关，于是我们有如下关系利用上面的关系，可以采用试验获得利用上面的关系，可以采用试验获得 ，图，图8-208-20给出了给出了 时的水蒸气发射率时的水蒸气发射率 的的图线。图图线。图8-218-21则是其修正系数则是其修正系数 。第68页，本讲

30、稿共76页水蒸气的发射率为水蒸气的发射率为对应于对应于 的图分别是的图分别是8-228-22和图和图8-238-23。于。于是是第69页，本讲稿共76页图图8-208-20 第70页，本讲稿共76页图图8-21 8-21 修正系数修正系数 第71页，本讲稿共76页图图8-228-22 第72页，本讲稿共76页图图8-23 8-23 修正系数修正系数 第73页，本讲稿共76页图图8-23 8-23 修正系数修正系数 第74页，本讲稿共76页5 5 气体的吸收比气体的吸收比 式中修正系数式中修正系数 和和 与发射率公与发射率公式中的处理方法相同，而式中的处理方法相同，而 ，和和 的确定可以采用下面的经验公式的确定可以采用下面的经验公式第75页，本讲稿共76页 在其体发射率和吸收比确定后，气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与黑体外壳之间的辐射换热公式为:第76页，本讲稿共76页