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1、第9章 辐射换热的计算,本章重点内容,重点内容： 角系数的定义及性质； 辐射换热网络法计算表面间的辐射换热。,掌握内容： 掌握形状较简单情形下表面间角系数的计算方法； 表面间辐射换热的计算。,了解内容： 了解气体辐射的特点。,作业,9-6，9-8，9-18，9-23， 9-28， 9-35， 9-37，9-45，9-62，9-64,9-1 角系数的定义、性质及计算,一.角系数的定义,1.两表面间的辐射换热量与两个表面间的相对位置有很大关系。,表面相对位置的影响,2. 角系数的定义,表面1发出的辐射能中落到表面2上的百分数,3. 讨论角系数时的假设,（1）所研究的表面是漫射的；（2）所研究表面的
2、不同地点上向外发射的辐射热流密度是均匀的,4. 角系数纯是几何因子，与表面温度及发射率无关,(1) 相对性,9-1 角系数的定义、性质及计算,二.角系数的性质,微元表面间的辐射,9-1 角系数的定义、性质及计算,两黑体表面间的辐射换热,两黑体间的辐射换热量,当 时，净辐射换热量为零，则有：,若表面n为非凹表面时，Xi,i=0。,9-1 角系数的定义、性质及计算,(2) 完整性,角系数的完整性,9-1 角系数的定义、性质及计算,(3) 可加性,角系数可加性图示,故有：,如把表面2进一步分成若干小块，则有：,？,直接积分法、代数分析法、几何分析法,二.角系数的计算,9-1 角系数的定义、性质及计算
3、,1.计算方法：,2.直接积分法,直接积分法图示,利用角系数的性质，通过求解代数方程获得角系数的方法,9-1 角系数的定义、性质及计算,3.代数分析法：,三个很长的非凹形表面组成的辐射系统,两个非凹表面及假想面组成的封闭系统,9-1 角系数的定义、性质及计算,9-2 被透明介质隔开的两固体表面间的辐射换热,一.黑体表面间的辐射换热,黑体系统的辐射换热,（1）灰体表面的吸收比小于1，投入到灰体表面上的辐射能的吸收不是一次完成的，要经过多次反射,（2）由一个灰体表面向外发射出去的辐射能除了其自身的辐射力外，还包括了被反射的辐射在内,二.漫灰表面表面间的辐射换热,9-2 被透明介质隔开的两固体表面间
4、的辐射换热,1.漫灰表面辐射换热计算的复杂性,3.两漫灰表面间的辐射换热,9-2 被透明介质隔开的两固体表面间的辐射换热,有效辐射示意图,2.几个概念,（1）投入辐射G：,单位时间投射到单位面积的总辐射能,（2）有效辐射J：,单位时间离开表面单位面积的总辐射能,（3）G与J间的关系：,根据下式及能量守恒有,两个物体组成的辐射换热系统,于是有：,9-2 被透明介质隔开的两固体表面间的辐射换热,系统发射率：,4.三种特殊情形,(1)表面1为非凹表面，X1,21,9-2 被透明介质隔开的两固体表面间的辐射换热,(2)空腔与内包小物体间的辐射换热：A1/A20,(3)两无限大平行平板间的辐射换热：A1
5、/A21,9-2 被透明介质隔开的两固体表面间的辐射换热,9-3 多表面系统辐射换热的计算,一辐射热阻,数值法：从分析任一表面的有效辐射入手进行辐射换热的计算。可用于多表面情况，适宜于用计算机进行求解。,9-3 多表面系统辐射换热的计算,二辐射换热的计算方法,网络法：用电学中的电流、电位差和电阻比拟热辐射中的热流、热势差与热阻，用电路比拟辐射热流的传递路径。简明、直观,注意：两种方法都离不开角系数的计算，所以，必须满足漫灰面、等温、物性均匀以及投射辐射均匀的四个条件。,(1)网络法的应用举例,9-3 多表面系统辐射换热的计算,三辐射换热的网络法,(2)网络法的求解步骤,9-3 多表面系统辐射换
6、热的计算,三辐射换热的网络法,a.画出等效网络图,由三个表面组成的封闭腔,三表面封闭腔的等效网络图,b.列出节点的电流方程,9-3 多表面系统辐射换热的计算,c.求解代数方程，得出节点电势J1、 J2、 J3,d.确定每个表面的净辐射换热量,9-3 多表面系统辐射换热的计算,9-3 多表面系统辐射换热的计算,(3)三个特例,a.有一个表面为黑体,表面3的净辐射换热量：,代数方程简化为二元方程组,9-3 多表面系统辐射换热的计算,(3)三个特例,b.有一个表面绝热，即净辐射换热量为零,重辐射面,9-3 多表面系统辐射换热的计算,(3)三个特例,c.有一个表面面积很大,从而有 为已知量,设表面3的
7、面积很大，则其表面热阻:,这种情况与表面3为黑体的情况类似，计算方法相同,9-3 多表面系统辐射换热的计算,四辐射换热的数值法,且对于漫灰表面有,则,9-4 辐射换热的强化与削弱,一强化与削弱辐射换热的方法,1.强化辐射换热的方法：,（1）增加换热表面的发射率,2.削弱辐射换热的方法：,（2）改变两表面的布置以增加角系数,（2）在两辐射表面之间安插遮热板,（1）减少表面发射率,9-4 辐射换热的强化与削弱,1.定义：指插入两个辐射换热表面之间以削弱辐射 换热的薄板,二遮热板,2.遮热板的工作原理：,遮热板,9-4 辐射换热的强化与削弱,加遮热板前的辐射换热网络图,加遮热板前,9-4 辐射换热的
8、强化与削弱,遮热板,若,则,9-4 辐射换热的强化与削弱,3.遮热板在工程技术中的应用,（1）汽轮机中用于减少内外套管间辐射换热。（2）遮热板用于储存液态气体的低温容器。,（3）遮热板用于超级隔热油管。（4）遮热板用于提高温度测量的准确度。,9-4 辐射换热的强化与削弱,3.遮热板在工程技术中的应用,例题1,如图所示，已知一微元圆盘 与有限大圆盘 （直径为D）相平行，两中心线之连线垂直于两圆盘，且长度为 。试计算,解：,例题1,例题2,试证：对于附图所示的几何结构有,圆柱表面及平面AB在垂直于纸面的方向上为无限长。,解：,例题2,则,在两块平行的黑体表面1、3之间置入一块透明平板2。板1、3的
9、表面温度为已知，板2的温度维持在某个值 ，其发射率、反射比及透射比各为 。试确定表面1单位面积上净辐射换热量的表达式。,例题3,解：,板2的热平衡方程为：,则,表面1的净辐射换热量为：,例题4,两个面积相等的黑体被置于一绝热的包壳中，假定两黑体的温度分别为 与 ，且相对位置是任意的，试画出该辐射换热系统的网络图，并导出绝热包壳表面温度 的表达式。,解：,因为,且,所以,又,所以,对节点3，有,则,而,所以,所以,例题4,例题5,在一块厚金属板上钻了一个直径为 cm的不穿透的小孔，孔深 cm，如附图所示。设孔的表面是发射率为0.6的漫射体，整个金属块处于500的温度下，试确定从孔口向外界辐射的能
10、量,解法一：,在小孔的出口处补充一圆形表面，且假设圆形表面为黑表面，温度为0K，设补充表面为1表面，小孔内表面为2表面,例题5,W,例题5,解法二：以表面2为研究对象，则,所以,则从小孔辐射出去的能量为：,例题6,有一水平放置的正方形太阳能集热器，边长为1.1m，吸热表面的发射率 ，对大阳能的吸收比 。当太阳的投入辐射 W/m2时，测得集热器吸热表面的温度为90。此时环境温度为30。天空可视为23K的黑体。试确定此集热器的效率。设吸热表面直接暴露于空气中，其上无夹层（集热器效率定义为集热器所吸收的太阳辐射能与太阳投入辐射之比)。,解：,集热器所吸收的太阳能为：,集热器有效利用的太阳能为集热器所
11、吸收的太阳能扣除自然对流和辐射换热损失,W,定性温度,例题6,W,查表得空气的物性为：,W/(m.K),m2/s,定性长度,则,W/(m2.K),W,W,例题7,用单层遮热罩抽气式热电偶测量一设备中的气流温度。已知设备内壁温度为90，热接点与遮热罩表面的发射率均为0.6，气体对热接点及遮热罩的表面传热系数分别为40W/(m2.K)及25 W/(m2.K)。当气流真实温度 时，热电偶的指示值为多少?,解：,设热电偶为表面1，遮热罩为表面2。以遮热罩为研究对象，则其得热量为：,失热量为：,得热量中的第二项相对于第一项是很小的，可忽略不计,则遮热罩的热平衡方程为：,例题7,采用试算法可得,以热电偶为
12、研究对象，则其得热量为：,失热量为：,则热电偶的热平衡方程为：,采用试算法可得,例题8,如附图所示，两薄平板A、B被置于一绝热的空间内，并位于同一平面上，面积分别为 ，其4个表面的发射率分别为 。今设法使板A、B分别维持在恒定温度 ，试画出这一辐射换热系统的网络图，并列出计算板A、B间净辐射换热量的表达式。,解：,例题8,例题9,煤粉炉炉膛中的水冷壁管常因其表面结渣而使传热过程受到削弱。为估计结渣、结灰的影响采用以下简化的模型：外径为 mm的水冷壁管内部发生流动沸腾过程，饱和水温为600K。管外受 K的烟气对流换热， W/(m2.K)。火焰对水冷壁管的辐射可以等效地看成为来自 K的大空间的辐射。水冷壁管发射率 。试对下列两种情况计算单位管子长度上水冷壁管从炉膛得到的热量：(1)管外干净无灰渣；(2)管外结了一层均匀灰渣，厚 mm，其导热系数为1 W/(m.K)，灰渣表面发射率 ，其余条件不变。,例题9,（1）,（2）,利用试算法，解得,则,或,kW/m,解：,kW/m,K,
