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1、辐射传热的计算第1页，此课件共20页哦9-1 辐射传热的角系数辐射传热的角系数一、定义一、定义1.两个假定：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时均匀的。*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图1示出了两个等温表面间的两种极端布置情况：图a中两表间无限接近，相互间的换热量最大；图b中两表面位于同一表面上，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。2.定义：我们把表面定义：我们把表面1 1发出的辐射能发出的辐射能 中落到表面中落到表面
2、2 2上的百分数上的百分数 称为表面称为表面1 1对表面对表面2 2的角系数，的角系数，记为记为 。同理也可以定义表面。同理也可以定义表面2 2 对表面对表面l l的角系数。的角系数。图图1 表面相对位置的影响表面相对位置的影响第2页，此课件共20页哦二、性质二、性质角系数有以下一些性质：1.角系数的相对性：角系数的相对性：两个有限大小表面A1,A2之间角系数的相对性可以 通过分析图2所示两黑体表面间的辐射换热而获得。两表面间的换热量 记为 ，则有 当T1=T2时，净辐射换热量为零，则有 这是两有限大小表面间角系数的相对性角系数的相对性的表达式。图图2 两黑体表面间的辐射换热两黑体表面间的辐射
3、换热第3页，此课件共20页哦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(见图3)，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 一个表面对封闭腔各表面的角系数之间存在下列关系（以表面1为例示 出）：此式表达的关系称为角系数的完整性角系数的完整性。图图3 角系数的完整性角系数的完整性第4页，此课件共20页哦3.角系数的可加性：角系数的可加性：考虑如图4所示表面1对表面2的角系数。由于从表面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：故有 由于从表面2发出落到表面1上的总 辐射能，等于从表面2的各个
4、组成部 分发出而落到表面1上的辐射能之和。于是有：图图4 说明角系数可加性的图示说明角系数可加性的图示以上式表达的关系称为角系数的可加性角系数的可加性。第5页，此课件共20页哦三、计算三、计算求解角系数的方法有直接积分法、代数分析法及几何分析法等。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 积分而获得角系数的方法。对图5所示的两个有限 大小的面积A1、A2，有 这是求解任意两表面间角系数的积分表达式。图图5 直接积分法图示直接积分法图示第6页，此课件共20页哦2.2.代数分析法代数分析法(2)(2)：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。下
5、面应用代数分析法来确定图6所示的表面A1和A2之间的角系数。假定在垂直于纸面的方向上表面的长度是无限延伸的。作辅助线ac和bd，它们代表在垂直于纸面的方向上无限延伸的两个表面。可以认为，它们连同表面A1、A2构成一个封闭系统。在此系统里，根据角系数的完整性，表面A1对A2的角系数为 我们可以归纳出如下的一般关系：对于在一个方向上长度无限延伸的多个 表面组成的系统，该式为任意两个表面 之间的角系数的计算式，因此该方法又 称为交叉线法交叉线法。图图6 两个表面间的角系数两个表面间的角系数第7页，此课件共20页哦一、两黑体表面间的辐射传热一、两黑体表面间的辐射传热二、灰体表面的辐射传热和有效辐射二、
6、灰体表面的辐射传热和有效辐射投入辐射G：单位时间内投射到表面的单位面积上的总辐射能为投入辐射。有效辐射J：单位时间内离开表面单位面积的总辐射能为该表面的有效辐射。有效辐射J1的表达式：J1=E1+1G1=1Eb1+(1-1)G1有效辐射J=反射辐射(G)+本身辐射(E)三、两灰体表面间的辐射传热三、两灰体表面间的辐射传热空间辐射热阻 表面辐射热阻9-2 两表面封闭系统的辐射传热两表面封闭系统的辐射传热第8页，此课件共20页哦四、几种特例情况四、几种特例情况1.两物体均为黑体 2.A1/A2 相差很小,A1/A2 1(两无限大平板）3.A1/A2 0,A2A1(车间里的蒸汽管道）第9页，此课件共
7、20页哦9-3 多表面系统的辐射传热多表面系统的辐射传热1.二灰表面间的辐射换热第10页，此课件共20页哦2.三灰表面间的辐射换热应用电学中的基尔霍夫定律，可列出节点的热流方程：第11页，此课件共20页哦例题例题1 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，已知温度计头部发射率（黑度）为0.9，头部与室内空气间的，头部与室内空气间的对流换热系数为对流换热系数为20，墙表面温度为，墙表面温度为10，求该温度计的测量误差。，求该温度计的测量误差。例题例题2 两平行放置的平板表面发射率均为两平行放置的平板表面发射率均为0.6，其板间距远小于板的宽度
8、和高度，且两表面温度分别为，其板间距远小于板的宽度和高度，且两表面温度分别为t1=427度，度，t2=27度。求度。求（1）板板1的自身辐射；的自身辐射；（2）板板1的投入辐射；的投入辐射；（3）板板1的反射辐射；的反射辐射；（4）板板1的有效辐射；的有效辐射；（5）板板2的自身辐射；的自身辐射；（6）板板1、板、板2间的辐射换热量。间的辐射换热量。第12页，此课件共20页哦 已知已知 ，求测温误差？求测温误差？解：解：第13页，此课件共20页哦9-4 9-4 辐射传热的控制辐射传热的控制(强化与削弱强化与削弱)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
9、；增加发射率；(2)(2)增加角系数。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14页，此课件共20页哦一、辐射换热的强化一、辐射换热的强化 在一定温度下要强化两表面间的辐射换热，在一定温度下要强化两表面间的辐射换热，可以采取增加换热表面发射率以及改变两表面可以采取增加换热表面发射率以及改变两表面的布置以增加角系数的方法。采用改变表面发的布置以增加角系数的方法。采用改变表面发射率的方法时应注意首先增加对换热影响最大射率的方法时应注意首先增加对换热影响最大的
10、那一个表面的发射率。以图的那一个表面的发射率。以图1010所示的空腔与所示的空腔与内包物体间辐射换热问题为例，由其换热量的内包物体间辐射换热问题为例，由其换热量的计算式可见，增加内包物体的发射率计算式可见，增加内包物体的发射率11比增加比增加空腔表面发射率空腔表面发射率2 2更有效更有效(极限情况下当极限情况下当A1/A1/A A22 0 0时，时，2 2已对换热量没有影响已对换热量没有影响)。图图10 第15页，此课件共20页哦二、辐射换热的削弱二、辐射换热的削弱 为了削弱两物体表面间的辐射换热，可以采用减少表面发为了削弱两物体表面间的辐射换热，可以采用减少表面发射率及在两辐射表面之间安插遮
11、热板的方法。射率及在两辐射表面之间安插遮热板的方法。人造地球卫星为了减少迎阳面人造地球卫星为了减少迎阳面(直接受到阳光照射的表面直接受到阳光照射的表面)与背阳面之间的温差，采用对太阳能吸收比小的材料作表面涂与背阳面之间的温差，采用对太阳能吸收比小的材料作表面涂层；层；置于室外的发热设备置于室外的发热设备(如变压器如变压器)，为了防止夏天温升过高，为了防止夏天温升过高而用浅色油漆作为涂层。而用浅色油漆作为涂层。这些都是用减少发射率这些都是用减少发射率(吸收比吸收比)的方法来削弱换热的例子。的方法来削弱换热的例子。在实际工程应用中，多采用遮热板来减少辐射换热的方法在实际工程应用中，多采用遮热板来减
12、少辐射换热的方法。第16页，此课件共20页哦 所谓遮热板，是指插入两个辐射换热表面之间以削弱辐射所谓遮热板，是指插入两个辐射换热表面之间以削弱辐射换热的薄板。换热的薄板。如图如图11所示所示假设假设 只考虑单位面积只考虑单位面积无板无板3时，时，有板有板3时，对稳态有：时，对稳态有：q q1,21,2=q=q1,31,3=q3,2=q3,2；其中；其中q q1,3=B(T1,3=B(T1 14 4-T3-T34 4)q q3,23,2=B(T=B(T3 34 4-T2-T24 4););而而q q1,31,3+q+q3,23,2=B(T=B(T1 14 4-T-T3 34 4)+B(T)+B(
13、T3 34 4-T-T2 24 4)=B(T)=B(T1 14 4-T2-T24 4)=q)=q1,21,2 所以所以 q q1,21,2=q=q1,3=q3,21,3=q3,2=1/2 q=1/2 q1,2 1,2 热辐射削弱了热辐射削弱了 。图图11 遮热板遮热板在两灰体表面间插入与灰体黑度相等的薄板，其辐射换在两灰体表面间插入与灰体黑度相等的薄板，其辐射换热减少一半。热减少一半。第17页，此课件共20页哦三、遮热板的应用三、遮热板的应用 遮热板在工程技术上应用甚广，下面是遮热板在工程技术上应用甚广，下面是4 4个应用实例。个应用实例。（1 1）汽轮机中用于减少内、外套管间辐射换热。）汽轮
14、机中用于减少内、外套管间辐射换热。（2 2）遮热板应用于储存液态气体的低温容器。）遮热板应用于储存液态气体的低温容器。（3 3）遮热板用于越级隔热油管。）遮热板用于越级隔热油管。（4 4）遮热板用于提高温度测量的准确度。）遮热板用于提高温度测量的准确度。例例:在黑度为在黑度为0.80.8的两个平行面之间插入一块黑度的两个平行面之间插入一块黑度 为为0.050.05的抛光铝片。求其辐射换热量是未插的抛光铝片。求其辐射换热量是未插 入遮热板的多少分之一。入遮热板的多少分之一。第18页，此课件共20页哦解：解：第19页，此课件共20页哦 第八、九章小结：第八、九章小结：1.1.热辐射热辐射热辐射热辐
15、射定义与本质；吸收比、反射比、穿透比定义与本质；吸收比、反射比、穿透比基本概念基本概念：2.黑体、白体、透明体；灰体黑体、白体、透明体；灰体 3.发射率、吸收比、黑度；角系数定义及性质发射率、吸收比、黑度；角系数定义及性质 4.本身辐射、有效辐射、投入辐射、反射辐射、吸收辐射本身辐射、有效辐射、投入辐射、反射辐射、吸收辐射基本定律基本定律：1.普朗克定律普朗克定律 2.斯狄芬斯狄芬-玻耳兹曼定律（维恩位移定律）玻耳兹曼定律（维恩位移定律）3.兰贝特定律兰贝特定律 4.4.基尔霍夫定律基尔霍夫定律 基本原理基本原理：1.1.辐射换热的分析与计算（四大部分）辐射换热的分析与计算（四大部分）2.2.遮热板原理的分析与计算遮热板原理的分析与计算第20页，此课件共20页哦