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1、第九章辐射传热计算9.1 角系数确定方法9.2 被透明介质隔开的两表面辐射传热9.3 多表面系统辐射换热的计算9.4 辐射传热的控制（强化与削弱）9.5 气体辐射的特点及计算CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算2/519-1 角系数的定义、性质与计算即便其它条件一致，两物体间的辐射换热量随表面的相对位置不同而存在较大的差异。（教材图9-1）Why任意放置的两非凹黑表面A1和A2，温度分别为T1和T2，任取微元面dA1和dA2，距离为r，两微元面的法线与连线r间夹角分别为1、2。微元面dA1投射到dA2的辐射能：立体角：带入上式可得dA1投射到dA2的辐射能：C
2、UMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算3/519-1 角系数的定义、性质与计算任意放置的两非凹黑表面A1和A2，温度分别为T1和T2，任取微元面dA1和dA2，距离为r，两微元面的法线与连线 r 间夹角分别为1、2。微元面dA1与dA2间净辐射换热量：可得A1与A2面间换热量：易知可得dA2投射到dA1的辐射能：CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算4/519-1 角系数的定义、性质与计算任意放置的两非凹黑表面A1和A2，温度分别为T1和T2，任取微元面dA1和dA2，距离为r，两微元面的法线与连线 r 间夹角分别为1、2。不难发现
3、，A2发射出的辐射能只有一部分投射到A1面；同样，离开A1面的辐射能也只有一部分落到A2面。引入角系数，表示离开表面的辐射能中直接落到另一表面上的百分数。如X1,2表示离开A1面的辐射能落到A2面上的百分数，称为A1对A2的平均角系数；同理，A2对A1的平均角系数写为X2,1。角系数中第一角码指辐射能离开的表面，第二角码指辐射能落到的表面。“离开”包含表面1自身的辐射和反射的辐射；“落到”不管表面2是否能够吸收；两黑体表面间的辐射换热量CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算5/51角系数概念的假定：所研究的表面为漫射表面 表面的辐射物性均匀角系数的基本属性：纯几
4、何因子，与表面的温度和发射率无关。几个角系数：9-1 角系数的定义、性质与计算CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算6/51角系数的性质相对性完整性可加性角系数的相对性：两个表面间的角系数 X1,2和X2,1 不是独立存在的。（推导基于立体角概念和兰贝特定律）两个有限大小表面19-1 角系数的定义、性质与计算CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算7/51角系数的性质相对性完整性可加性角系数的完整性：由N个表面组成的封闭腔，有2表面1为非凹表面（凸面或平面）：X1,10表面1为凹表面：X1,10 发射面1自身凹表面非凹表面9-1 角
5、系数的定义、性质与计算CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算8/51角系数的性质相对性完整性可加性角系数的可加性：设表面2由2A 和2B 两部分组成，有3表面1到表面2表面2到表面1注意：角系数的直接相加仅适合角系数符号第二角码9-1 角系数的定义、性质与计算CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算9/51角系数的计算直接积分法代数分析法几何分析法、蒙特卡罗法直接积分法：利用角系数的基本定义通过多重积分求解。1四重积分太复杂？常见几何结构角系数的求解查图（教材图9-179-20）9-1 角系数的定义、性质与计算CUMT-GDUE传热
6、学 Heat Transfer 9 辐射传热计算10/51平行长方形表面间的角系数 9-1 角系数的定义、性质与计算CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算11/51两同轴平行圆盘间的角系数 9-1 角系数的定义、性质与计算CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算12/51相互垂直两长方形表面间的角系数 9-1 角系数的定义、性质与计算CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算13/51CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算14/51角系数的计算直接积分法代数分析法几何分析法
7、、蒙特卡罗法代数分析法：利用角系数的性质，通过求解代数方程组获得角系数的方法。2三个非凹表面组成的封闭系统（忽略垂直方向两端辐射能的逸出）相对性完整性9-1 角系数的定义、性质与计算CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算15/51角系数的计算直接积分法代数分析法几何分析法、蒙特卡罗法代数分析法：利用角系数的性质，通过求解代数方程组获得角系数的方法。2三个非凹表面组成的封闭系统（忽略垂直方向两端辐射能的逸出）以线段长度表示9-1 角系数的定义、性质与计算CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算16/51角系数的计算直接积分法代数分析法
8、几何分析法、蒙特卡罗法代数分析法：利用角系数的性质，通过求解代数方程组获得角系数的方法。2两个非凹表面及假想面组成的封闭系统（垂直方向无限长）完整性9-1 角系数的定义、性质与计算CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算17/51角系数的计算直接积分法代数分析法几何分析法、蒙特卡罗法代数分析法：利用角系数的性质，通过求解代数方程组获得角系数的方法。2两个非凹表面及假想面组成的封闭系统（垂直方向无限长）又称为交叉线法。交叉线和不交叉线均指虚拟的辅助线。9-1 角系数的定义、性质与计算CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算18/519-
9、1 角系数的定义、性质与计算用辅助面计算角系数注意：增加的虚拟面必须是平面；虚拟面不能分割原来的表面；不能因为虚拟面的出现使系统内部辐射能量分布发生任何变化。角系数的计算直接积分法代数分析法几何分析法、蒙特卡罗法代数分析法：利用角系数的性质，通过求解代数方程组获得角系数的方法。2两个非凹表面及假想面组成的封闭系统（垂直方向无限长）CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算19/519-2 被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热透热介质：不参与热辐射的介质。封闭腔模型：计算任一表面与外界的辐射换热，必须计及空间各方向辐射能的发射和接收。因此，计算对象必须是包含所研究表
10、面的封闭腔。封闭腔边界可以是全部真实的，亦可部分虚拟的。封闭腔模型适用于黑体和漫灰表面间辐射换热计算。被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热两黑体表面两漫灰表面导热、对流传热辐射传热直接接触的物体物体表面间被真空或者透热介质隔开吸收比小于1，且存在对投入辐射的反射CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算20/511被透热介质隔开的两黑体表面间的辐射换热角系数的相对性黑体辐射换热的等效网络空间辐射热阻黑体辐射换热计算的关键在于角系数X1,2的求取。空间辐射热阻的理解？9-2 被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热辐射势差/驱动力空间辐射热阻CUMT-GDUE传热学
11、Heat Transfer 9 辐射传热计算21/512被透热介质隔开的两漫灰表面间的辐射换热漫灰表面吸收与发射辐射能的特点有效辐射J 的概念投入辐射 G：单位时间投射到单位表面积的总辐射能。有效辐射 J：单位时间离开单位表面积的总辐射能，包括自身辐射和反射辐射。漫灰表面1 外能感受到的表面辐射即有效辐射 J1，计算漫灰表面的辐射换热采用有效辐射的概念，而非黑体的辐射力Eb。有效辐射自身辐射反射辐射固体、液体的穿透比09-2 被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算22/51漫灰表面间辐射换热量 q 与有效辐射J 的关联：关联
12、式具有普遍性，注意是针对同一表面，且以向外的净放热为正值。Q:实际物体表面的有效辐射 J 总是小于相同表面温度的黑体辐射力Eb 吗？9-2 被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热或表面辐射势差表面辐射热阻CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算23/51两黑体表面两漫灰表面系统发射率s：是考虑由于灰体系统多次吸收与反射对换热量影响的因子。s 19-2 被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算24/51两漫灰面辐射换热的等效网络空间辐射热阻表面辐射热阻表面辐射热阻两漫灰面辐射换热的等效网络相比于两黑
13、体表面多出两个表面辐射热阻。两类热阻的理解？9-2 被透热介质隔开的两固体表面间的辐射换热A.K.Oppenheim.Radiation analysis by the network method.Transaction of ASME.1956,65:725-735.Problems of net radiation transfer in enclosures involve proper accounting of all the inter-reflections of radiation beams.This is shown to be equivalent to the sol
14、ution of electrical networks made up of conductances which are fully determined by surface-shape factors,reflectivities and transmissivities of the system elements.CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算25/51表面1为非凹面，X1,10 X1,21简化1X1,21，表面积A1A2简化2X1,21，表面积A1A1，所以增加表面积为A1的物体的发射率1 更加有效。（减小串联环节的最大热阻项）A11，A2
15、10 1 20.5 1.11 0.5 20.8 1.0251 0.8 20.5 0.35CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算41/51控制表面辐射热阻削弱1.减小换热表面的发射率 工厂蒸汽管道外敷铝箔 2.两辐射表面间安插遮热板实际物体对太阳能的吸收强化太阳能集热器的光谱选择性涂层削弱变压器油漆成浅色9-4 辐射传热的控制（强化与削弱）CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算42/511.遮热板削弱辐射传热：不加板加板增加一层遮热板，相当于增加两个表面辐射热阻，以及一个空间辐射热阻。减小一半！增加 n 层遮热板：9-4 辐射传热的
16、控制（强化与削弱）CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算43/51单层遮热罩抽气式热电偶2.遮热罩抽气式热电偶tftctctstwtw用热电偶测量排气管气体温度，热电偶发射率c=0.5。排气管壁温tw=100，热电偶显示温度tc=500。已知气体与热电偶间对流传热系数h=200w/k，确定气体实际温度及测量误差。若将发射率s=0.3的圆筒形遮热罩置于热电偶周围，热电偶读数仍为500，计算气体真实温度。设气体与遮热罩间对流传热系数hs=250 w/k。（1）无遮热罩a)根据对流换热与辐射换热平衡建立方程；b）热电偶面积相比壁面面积很小，故系统发射率等于热电偶发射率
17、。（2）有遮热罩用上述方法分别对热电偶和遮热罩建立能量守恒方程。9-4 辐射传热的控制CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算44/51辐射表面传热系数与复合表面传热系数：复合换热：对流与辐射同时存在。为了计算方便，将辐射换热量按照牛顿冷却公式折合成与 对流表面传热系数 hc 形式一致的辐射表面传热系数 hr。辐射表面传热系数 复合表面传热系数 9-4 辐射传热的控制（强化与削弱）CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算45/519-5 气体辐射的特点及计算气体辐射透热气体：无发射和吸收辐射能能力的气体空气、H2、O2、N2 等吸收性
18、气体：有发射和吸收辐射能力的气体O3、H2O、CO2、SO2、CO 等YN气体辐射的特点（CO2、H2O）：1.气体辐射对波长有选择性，CO2、H2O各有三个位于红外线光带的区间具有辐射和吸收的本领。气体一般不能做灰体假设；2.气体辐射在整个容积中进行，与气体的在容器中的分子数目和容器的形状和容积有关。CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算46/51气体光谱辐射强度的削弱规律布格尔定律辐射能通过吸收性气体层，不断被气体吸收而削弱。削弱的程度取决于辐射强度和气体分子数目。布格尔定律：光谱辐射强度呈指数规律衰减。气体的光谱穿透比气体的光谱反射比气体的光谱发射率9-5
19、 气体辐射的特点及计算CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算47/51气体发射率与平均线程长气体发射率：气体辐射力：气体辐射力与射线行程长度有关如何评价？平均线程长 s将形状各异的气体容积辐射力当量半球内相同气体对球心的辐射力平均射线行程长当量半球半径平均线程长 s依据气体容积形状，查表9-2s3.6V/A气体的分压力9-5 气体辐射的特点及计算CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算48/51气体辐射的计算（发射）气体发射率：气体辐射力：气体发射率的计算H2OCO2H2O+CO2查图9-28，9-30查图9-27，9-29查图9-
20、31上标*表示总压力105Pa，水蒸气或CO2分压力为零的理想情况。9-5 气体辐射的特点及计算CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算49/51气体辐射的计算（吸收）由于气体辐射对波长具有选择性，不能视为灰体气体吸收比的计算H2O+CO29-5 气体辐射的特点及计算CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算50/51气体辐射换热量的计算气体与黑体壁面的辐射换热热流气体的自身辐射 气体的吸收辐射9-5 气体辐射的特点及计算A common engineering calculation is one that requires dete
21、rmination of the radiant heat flux from a gas to an adjoining surface.Despite the complicated spectral and directional effects inherent in such calculations,a simplified procedure may be used.The method was developed by Hottel and involves determining radiation emission from a hemispherical gas mass of temperature Tg to a surface element dA1,which is located at the center of the hemispheres base.CUMT-GDUE传热学 Heat Transfer 9 辐射传热计算51/51作业：5615222329