傳熱學(xué) 第七章 輻射換熱計(jì)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(dǎo)熱基本定律和穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱 第三章 非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱第四章 對(duì)流換熱原理第五章 單相流體對(duì)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(jì)算College of Energy & Power Engineering 第七章第七章 輻射換熱計(jì)算輻射換熱計(jì)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(qiáng)化和削弱輻射換熱的強(qiáng)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(gè)平表面兩個(gè)平表面一個(gè)平表面和一個(gè)平表面和一個(gè)凹表面一個(gè)凹表面College of Energy & Power Engineering 7.1.1 角系數(shù) 一個(gè)表面發(fā)射出的輻射能中落到落到另一個(gè)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(gè)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(jì)算；兩個(gè)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(duì)性相對(duì)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(duì)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(jì)算方法角系數(shù)的計(jì)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(duì)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(jì)算 121 22

8、 111122221bbQQQE A XE A X 根據(jù)角系數(shù)間的相對(duì)性，上式可以寫成根據(jù)角系數(shù)間的相對(duì)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(duì)位置都如表面大小、形狀和相對(duì)位置都會(huì)影響到空間熱阻的大小。會(huì)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(gè)表面的輻射網(wǎng)絡(luò)圖：三個(gè)表面的輻射網(wǎng)絡(luò)圖： 1121A X1131AX2231A X1231bE2bE3bECollege of Energy & Power Engineering 當(dāng)組成封閉空腔諸表面中有某個(gè)表面 i 是絕熱時(shí)，它在參與輻射過程中沒有凈熱量交換，即Qi0，這時(shí)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(shí)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(duì)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(duì)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(gè)灰表面兩個(gè)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(gè)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(jì)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(yuǎn)大于 A1 ，則有： 44121112bQATTCollege of Energy & Power Engineering 44112121122111bATTQAACollege of Energy &

15、amp; Power Engineering 4.三個(gè)灰表面三個(gè)灰表面 若對(duì)于三個(gè)表面我們通常求的是每個(gè)表面跟封閉空腔內(nèi)其它各個(gè)表面的凈輻射換熱量Q1，而不是這個(gè)表面和另一個(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)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(jì)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(duì)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(gè)外徑為d1的圓管，置于另一個(gè)內(nèi)徑為d2的圓管中，如果兩個(gè)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(jì)算式。 College of Energy & Power Engineering 例7.6 兩液氧儲(chǔ)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(jì)算由于輻射換熱每單位面積容器壁的散熱量。解：解： 11273293wwTtK2227390wwTtK 因?yàn)槿萜鲓A層的間隙很小，可認(rèn)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(jì)算： College of Energy & Power En