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輻射換熱的計(jì)算第1頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月第八章

輻射換熱的計(jì)算第2頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月8.1輻射換熱的角系數(shù)表面相對(duì)位置的影響a圖中兩表面無限接近,相互間的換熱量最大;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(gè)表面間的相對(duì)位置不同時(shí),一個(gè)表面發(fā)出而落到另一個(gè)表面上的輻射能的百分?jǐn)?shù)隨之而異,從而影響到換熱量。

兩個(gè)表面之間的輻射換熱量與兩個(gè)表面之間的相對(duì)位置有很大關(guān)系第3頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月8.1.1角系數(shù)的定義及計(jì)算假設(shè)

表面2發(fā)出的輻射能中落到表面1上的百分?jǐn)?shù)稱為表面2對(duì)表面1的角系數(shù),記為X2,1表面1發(fā)出的輻射能中落到表面2上的百分?jǐn)?shù)稱為表面1對(duì)表面2的角系數(shù),記為X1,2。1、定義2、假設(shè)所研究的表面是漫射表面;所研究表面的不同地點(diǎn)上向外發(fā)射的輻射熱流密度是均勻的。第4頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月一個(gè)微元表面到另一個(gè)微元表面的角系數(shù)8.1.2.角系數(shù)的性質(zhì)1、角系數(shù)的相對(duì)性兩微元面間的輻射第5頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月兩微元表面角系數(shù)的相對(duì)性表達(dá)式:整理得:同理:第6頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月兩個(gè)有限大小表面之間角系數(shù)的相對(duì)性當(dāng)時(shí),凈輻射換熱量為零,即則有限大小表面間角系數(shù)的相對(duì)性的表達(dá)式:第7頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月對(duì)于由幾個(gè)表面組成的封閉系統(tǒng),據(jù)能量守衡原理,從任何一個(gè)表面發(fā)射出的輻射能必全部落到封閉系統(tǒng)的個(gè)表面上。因此,任何一個(gè)表面對(duì)封閉腔各表面的角系數(shù)之間存在下列關(guān)系:

角系數(shù)的完整性注:若表面1為非凹表面時(shí),X1,1=0;若表面1為凹表面,

2、角系數(shù)的完整性第8頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月從表面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(jìn)一步分成若干小塊,則有

3、角系數(shù)的可加性注意,利用角系數(shù)可加性時(shí),只有對(duì)角系數(shù)符號(hào)中第二個(gè)角碼是可加的,對(duì)角系數(shù)符號(hào)中的第一個(gè)角碼則不存在類似的關(guān)系。第9頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月從表面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)值第10頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月直接積分法代數(shù)分析法幾何分析法求解角系數(shù)的方法8.1.3角系數(shù)的計(jì)算方法第11頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月1、直接積分法按角系數(shù)的基本定義通過求解多重積分而獲得角系數(shù)的方法如圖所示的兩個(gè)有限大小的面積,可以得到微元面積對(duì)的角系數(shù)為dω1dA1dA2第12頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月上式積分可得即dω1dA1dA2工程上已經(jīng)將大量幾何結(jié)構(gòu)角系數(shù)的求解結(jié)果繪制成圖線。教材中給出了一些二維結(jié)構(gòu)角系數(shù)的計(jì)算公式以及三種典型三維幾何結(jié)構(gòu)的計(jì)算式和工程計(jì)算圖線。第13頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月利用角系數(shù)的相對(duì)性、完整性及可加性,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。圖8-5三個(gè)非凹表面組成的封閉系統(tǒng)2、代數(shù)分析法

(1)三個(gè)非凹表面組成的封閉系統(tǒng)第14頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月由角系數(shù)完整性由角系數(shù)相對(duì)性A3A2A1三表面封閉空間角系數(shù)的確定第15頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月上述方程解得:由于垂直紙面方向的長(zhǎng)度相同,則有:第16頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月如圖所示表面和假定在垂直于紙面的方向上表面的長(zhǎng)度是無限延伸的,只有封閉系統(tǒng)才能應(yīng)用角系數(shù)的完整性,為此作輔助線ac和bd,與ab、cd一起構(gòu)成封閉腔。兩個(gè)非凹表面及假想面組成的封閉系統(tǒng)A1(2)任意兩個(gè)非凹表面間的角系數(shù)第17頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月根據(jù)角系數(shù)的完整性:兩個(gè)非凹表面及假想面組成的封閉系統(tǒng)第18頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月

上述方法又被稱為交叉線法。注意:這里所謂的交叉線和不交叉線都是指虛擬面斷面的線,或者說是輔助線。兩個(gè)非凹表面及假想面組成的封閉系統(tǒng)第19頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月【例】求下列圖形中的角系數(shù)解:第20頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月解:解:解:第21頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月解:表面2對(duì)表面A和表面2對(duì)表面1+A的角系數(shù)都可以從圖9-8中查出:X2,A=0.10;X2,1+A=0.15。由角系數(shù)的可分性X2,1+A=X2,1+X2,A可得:X2,1=X2,1+A-X2,A。再根據(jù)角系數(shù)的互換性A1X1,2=A2X2,1即可得:【例】試確定如圖所示的表面1對(duì)表面2的角系數(shù)X1,2。X1,2=A2X2,1/A1=A2(X2,1+A-X2,A)/A1=2.5(0.15-0.10)/1=0.12521第22頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月解:注:利用這樣的分析方法,擴(kuò)大線圖的使用,可以得出很多幾何結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的角系數(shù)【例】求圖中1、4兩個(gè)表面之間的角系數(shù)第23頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月8.2.1封閉腔以及兩黑體表面組成的封閉腔間黑體系統(tǒng)的輻射換熱8.2

兩封閉系統(tǒng)的輻射換熱2、兩黑表面封閉系統(tǒng)的輻射換熱1、封閉腔模型黑體輻射系統(tǒng)傳熱量的計(jì)算關(guān)鍵是求得角系數(shù)。第24頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月表面的反射比,可表示成有效輻射自身射輻射E投入輻射被反射輻射的部分投入輻射:?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)投射到單位面積上的總輻射能,記為G。有效輻射示意圖8.2.2有效輻射1、有效輻射:?jiǎn)挝粫r(shí)間內(nèi)離開單位面積的總輻射能為該表面的有效輻射,記為J第25頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月

考察表面溫度均勻、表面輻射特性為常數(shù)的表面1。根據(jù)有效輻射的定義,表面1的有效輻射有如下表達(dá)式:

在表面外能感受到的表面輻射就是有效輻射,它也是用輻射探測(cè)儀能測(cè)量到的單位表面積上的輻射功率。有效輻射示意圖第26頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月

從表面1外部來觀察,其能量收支差額應(yīng)等于有效輻射J1與投入輻射G1之差,即從表面內(nèi)部觀察,該表面與外界的輻射換熱量應(yīng)為:有效輻射示意圖上兩式聯(lián)立消去G1,得到J與表面凈輻射換熱量之間的關(guān)系:注:式中的各個(gè)量均是對(duì)同一表面而言的,且以向外界的凈放熱量為正值。2、有效輻射與輻射換熱量之間的關(guān)系第27頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月8.2.3兩漫灰表面組成的封閉腔的輻射換熱兩個(gè)物體組成的輻射換熱系統(tǒng)第28頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月兩個(gè)等溫漫灰表面封閉系統(tǒng)內(nèi),兩個(gè)表面的凈換熱量為根據(jù)能量守恒有因?yàn)榈?9頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月兩封閉表面間的輻射換熱網(wǎng)絡(luò)圖第30頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月若以為計(jì)算面積,上式可改寫為:定義系統(tǒng)黑度(或稱為系統(tǒng)發(fā)射率)第31頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月三種特殊情形(1)表面1為凸面或平面,此時(shí),X1,2=1,于是第32頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月(2)表面積A1與表面積A2相差很小特例:兩平行平壁間的輻射換熱且A1A2第33頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月(3)表面積A2比表面積A1大得多,即A1/A2

0特例:空腔與內(nèi)包壁間的輻射換熱

若,且較大,如車間內(nèi)的采暖板、熱力管道,測(cè)溫傳感器等都屬于此種情況A1A2T1T2第34頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月因容器夾層的間隙很小,可認(rèn)為屬于無限大平行表面間的輻射換熱問題。【例9-2】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tw1=20℃,內(nèi)壁外表面溫度tw2=-183℃,鍍銀壁的發(fā)射率ε=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】第35頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月【解】表面1非凹,可直接應(yīng)用式(9-15)計(jì)算鋼管輻射熱損失【例9-3】一直徑d=50mm,長(zhǎng)度l=8m的鋼管,被置于橫斷面為0.2m

0.2m的磚槽道內(nèi)。若鋼管溫度和發(fā)射率分別為t1=250℃,ε1=0.79磚槽壁面溫度和發(fā)射率分別為t2=250℃,ε2=0.93,試計(jì)算該鋼管的輻射熱損失。第36頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月?lián)行л椛涞挠?jì)算式或(9-18)8.3.1兩表面換熱系統(tǒng)的輻射網(wǎng)絡(luò)8.3多表面系統(tǒng)輻射換熱的計(jì)算又據(jù)兩個(gè)表面的凈換熱量為由此得到(9-19)表面輻射熱阻空間輻射熱阻第37頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月將式(9-18)、(9-19)與電學(xué)中的歐姆定律相比可見:換熱量相當(dāng)于電流強(qiáng)度;或相當(dāng)于電勢(shì)差;而及則相當(dāng)于電阻,分別稱為輻射換熱表面的表面輻射熱阻及空間輻射熱阻。相當(dāng)于電源電勢(shì),而則相當(dāng)于節(jié)點(diǎn)電壓。則兩個(gè)輻射熱阻的等效電路如圖所示:(a)表面輻射熱阻(b)空間輻射熱阻第38頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月

利用上述兩個(gè)單元格電路,可以容易地畫出組成封閉系統(tǒng)的兩個(gè)灰體表面間輻射換熱的等效網(wǎng)絡(luò),如圖所示。根據(jù)等效網(wǎng)絡(luò),可以立即寫出換熱量計(jì)算式。兩表面封閉系統(tǒng)輻射換熱等效網(wǎng)絡(luò)圖這種把輻射熱阻比擬成等效的電阻從而通過等效的網(wǎng)絡(luò)圖來求解輻射換熱的方法成為輻射換熱的網(wǎng)絡(luò)法。第39頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月8.3.2多表面封閉系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)法求解的實(shí)施步驟1、畫出等效的網(wǎng)絡(luò)圖。⑴每個(gè)表面是一個(gè)結(jié)點(diǎn),其熱勢(shì)為Eb(對(duì)于漫-灰表面為有效輻射J)。⑵每?jī)蓚€(gè)表面間連接一個(gè)相應(yīng)的空間熱阻。⑶每個(gè)表面與接地間連接一個(gè)表面熱阻。⑷若某角系數(shù)為0,即空間熱阻→∞,則相應(yīng)兩個(gè)表面間可以斷開,不連接空間熱阻。⑸若某表面絕熱,則其為浮動(dòng)熱勢(shì),不與接地相連。第40頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月(3)求解上述代數(shù)方程得出節(jié)點(diǎn)電勢(shì)。(4)按公式確定每一個(gè)表面的凈輻射換熱量。(2)列出節(jié)點(diǎn)的電流方程應(yīng)用電學(xué)的基爾霍夫定律—流入每個(gè)結(jié)點(diǎn)的電流(即熱流)總和為零,聯(lián)立求解。第41頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月a有一個(gè)表面為黑體。黑體的表面熱阻為零。8.3.3三表面封閉系統(tǒng)的特殊情況b表面絕熱,該表面凈換熱量為零。重輻射面:q=0,溫度不定(動(dòng)態(tài)平衡)第42頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月例題8-5兩塊尺寸為1m

2m,間距為1m的平行平板置于室溫t3=27℃的大廠房?jī)?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℃,ε1=0.2,ε2=0.5,試計(jì)算每個(gè)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(gè)灰表面間的輻射換熱問題。廠房很大,表面熱阻可取為零,J3=Eb3。網(wǎng)絡(luò)圖如下。據(jù)給定的幾何特性X/D=2,Y/D=1,由圖9-7查出:第43頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月計(jì)算網(wǎng)絡(luò)中的各熱阻值:對(duì)J1,J2節(jié)點(diǎn)應(yīng)用直流電路的基爾霍夫定律第44頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月J1節(jié)點(diǎn)

J2節(jié)點(diǎn)將Eb1,Eb2,Eb3的值代入方程,聯(lián)立求解得第45頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月于是,板1的輻射換熱為板2的輻射換熱為廠房墻壁的輻射換熱量為第46頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月例8-6假定例9-5中的大房間的墻壁為重輻射表面,在其他條件不變時(shí),試計(jì)算溫度較高表面的凈輻射散熱量。第47頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月串、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解:本題把房間墻壁看作絕熱表面。其中第48頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月【例9-4】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(shí)間,設(shè)此時(shí)筒身溫度為500K,筒底為650K。環(huán)境溫度為300K,試計(jì)算頂蓋移去其間單位時(shí)間內(nèi)的熱損失。設(shè)筒身及底面均可作為黑體。第49頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月?lián)窍禂?shù)圖再據(jù)相對(duì)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,返回到爐中的比例幾乎為零。因此,可以把爐頂看成是一個(gè)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第50頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月由對(duì)稱性得X2,3=X2,1,故最后得返回第51頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月【例】某房間吊裝一水銀溫度計(jì)讀數(shù)為15,已知溫度計(jì)頭部發(fā)射率(黑度)為0.9,頭部與室內(nèi)空氣間的對(duì)流換熱系數(shù)為20,墻表面溫度為10,求該溫度計(jì)的測(cè)量誤差。如何減小測(cè)量誤差?℃

已知,,,求測(cè)溫誤差?解:第52頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月例題9-7輻射采暖房間,加熱設(shè)施布置于頂棚,房間尺寸為4m

5m

3m見圖8-28。據(jù)實(shí)測(cè)已知:頂棚表面溫度t1=25℃,ε1=0.9;邊墻2內(nèi)表面溫度為t2=10℃,ε1=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℃,ε3=0.8,底面的表面溫度t4=11℃,ε4=0.6。試求:(1)頂棚的總輻射換熱量(2)其它3個(gè)表面的凈輻射換熱量。答案第53頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月解:本題可看作4個(gè)灰體表面組成的封閉的輻射換熱問題,其輻射換熱網(wǎng)絡(luò)如圖8-29所示。下頁(yè)第54頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月各對(duì)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(gè)節(jié)點(diǎn)的電流方程:第55頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月把它們改寫成關(guān)于J1—J4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:第56頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月表面再多,如此很難處理。這時(shí)可用公式與計(jì)算機(jī)結(jié)合N個(gè)表面構(gòu)成的封閉系統(tǒng),則第I個(gè)表面的有效輻射第I個(gè)表面的投射輻射代入有效輻射表達(dá)式非凹假設(shè)沒有必要表面劃分要以熱邊界條件為主要依據(jù)第57頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月8.5輻射換熱的控制(強(qiáng)化與削弱)8.5.1控制物體表面間輻射換熱的方法1、控制表面熱阻應(yīng)控制對(duì)輻射換熱影響大的面的發(fā)射率。工業(yè)應(yīng)用:太陽能的利用-光譜選擇性涂層;人造地球衛(wèi)星;物體的顏色選擇。第58頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2、控制空間熱阻控制角系數(shù)應(yīng)用:電子機(jī)箱的布置8.5.2遮熱板的應(yīng)用遮熱板:插入兩個(gè)輻射換熱表面之間以削弱輻射換熱的薄板,其實(shí)插入遮熱板相當(dāng)于降低了表面發(fā)射率。為了說明遮熱板的工作原理,我們來分析在平行平板之間插入一塊薄金屬板所引起的輻射換熱的變化:遮熱板第59頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月穩(wěn)態(tài)時(shí)有:與沒有遮熱板時(shí)相比,輻射換熱量減小了一半。輻射表面和金屬板的溫度、吸收比如圖所示。為討論方便,設(shè)平板和金屬薄板都是灰體,并且遮熱板第60頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月

忽略了薄板3的導(dǎo)熱熱阻遮熱板如果

3=0.05,

1=

2=0.8,輻射熱量為原來的1/27。第61頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月2、隔熱板的工程應(yīng)用(1)汽輪機(jī)中用于減少內(nèi)外套管間輻射換熱300MW汽輪機(jī)高中壓缸進(jìn)汽連接管結(jié)構(gòu)示意圖第62頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月(2)應(yīng)用于儲(chǔ)存液態(tài)氣體的低溫容器為了提高保溫效果,采用多層遮熱板并抽真空的方法。遮熱板用塑料薄膜制成,其上涂以反射比很大的金屬箔層,箔間嵌以質(zhì)輕且導(dǎo)熱系數(shù)小的材料作為分隔層,絕熱層中抽成高度真空。當(dāng)內(nèi)壁溫度為20~80K,外壁溫度為300K時(shí),在垂直于遮熱板方向上的導(dǎo)熱系數(shù)低達(dá)5~10*10-5W/mK。(3)超級(jí)隔熱油管半徑方向的當(dāng)量導(dǎo)熱系數(shù)可降低到0.003W/mK。第63頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月(4)用于提高溫度測(cè)量的準(zhǔn)確度裸露熱電偶:高溫氣流以對(duì)流傳熱方式把熱量傳給熱電偶;熱電偶以輻射方式把熱量傳遞給容器壁。當(dāng)熱電偶的對(duì)流傳熱量等于輻射換熱量,熱電偶溫度即為指示溫度。其溫度必然低于氣體的真實(shí)溫度。第64頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月絕對(duì)測(cè)溫誤差206.2℃,相對(duì)測(cè)量誤差20%。解:A1/A2

0熱電偶的輻射散熱和對(duì)流換熱的能量平衡式為【例】用裸露熱電偶測(cè)得爐膛煙氣溫度t1=792℃。已知水冷壁面溫度tw=600℃,煙氣對(duì)熱電偶表面的對(duì)流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h=58.2W/(m2.K),熱電偶的表面發(fā)射率ε1=0.3,試求爐膛煙氣的真實(shí)溫度和測(cè)溫誤差。第65頁(yè),課件共71頁(yè),創(chuàng)作于2023年2月【例】用單層遮熱罩抽氣式熱電偶測(cè)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

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