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1、第九章第九章 辐射换热计算辐射换热计算传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer本章教学内容本章教学内容9.1 9.1 黑体表面间的辐射换热黑体表面间的辐射换热9.2 9.2 灰体表面间的辐射换热灰体表面间的辐射换热9.3 9.3 角系数的确定方法角系数的确定方法9.4 9.4 气体辐射的特点气体辐射的特点传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer第一节第一节 黑表面间的辐射换热黑表面间的辐射换热n辐射换热的推动力：辐射换热的推动力：诸表面之间温度不同诸表面之间温度不同n影响辐射换热的因素：影响辐射换热的因素：物体表面的温度，表面形物体表面的温度
2、，表面形状及尺寸，表面间相对位置，表面的辐射及吸收状及尺寸，表面间相对位置，表面的辐射及吸收特性。特性。n分析对象：分析对象：黑表面、漫黑表面、漫-灰表面灰表面n实际物体分析中的假定实际物体分析中的假定：物体表面：物体表面为恒温表面；为恒温表面；为漫为漫-灰表面；灰表面；之间气体为透明体。之间气体为透明体。n辐射换热阻力：辐射换热阻力：空间热阻和表面热阻两大类。空间热阻和表面热阻两大类。n辐射换热计算中最有效、应用最普遍的方法是辐射换热计算中最有效、应用最普遍的方法是封封闭空腔网络法。闭空腔网络法。传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer一、两黑体表面间的辐射换热一、
3、两黑体表面间的辐射换热非凹黑表面：辐射能量不会被自己吸收，遵循兰贝特定律。非凹黑表面：辐射能量不会被自己吸收，遵循兰贝特定律。传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer1、能量平衡分析、能量平衡分析dA1投射到dA2的能量d1-2：dA2投射到dA1的能量d2-1：传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer2 2、换热分析、换热分析n两表面之间的辐射换热量与两表面之间的两表面之间的辐射换热量与两表面之间的相对位置有很大关系；相对位置有很大关系；n由由A A1 1发射出的辐射能中只有一部分落到发射出的辐射能中只有一部分落到A A2 2上，上，同时，
4、由同时，由A A2 2发射出的辐射能中只有一部分落发射出的辐射能中只有一部分落到到A A1 1上。上。n引出角系数概念。引出角系数概念。传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer1 1、角系数、角系数X X1,21,2n定义：表面定义：表面1 1向半球空间辐射的能量投落向半球空间辐射的能量投落到表面到表面2 2上的百分数。是无量纲量。上的百分数。是无量纲量。二、角系数及空间热阻二、角系数及空间热阻 角系数的互换性角系数的互换性 传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer分析角系数：分析角系数：n仅表示离开某表面的辐射能中到达另一表面的百仅表示离开
5、某表面的辐射能中到达另一表面的百分数，而与另一表面的系数能力无关。分数，而与另一表面的系数能力无关。n是一个纯粹的几何量，仅取决于表面的大小和相是一个纯粹的几何量，仅取决于表面的大小和相对位置，与辐射物体是否是黑体无关。对位置，与辐射物体是否是黑体无关。n前提条件：前提条件：物体表面为漫射表面；物体表面为漫射表面；物体表面的辐射物性均匀，即温度均匀、发射物体表面的辐射物性均匀，即温度均匀、发射率及反射比均匀。率及反射比均匀。n特性：特性：互换性。互换性。传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer2 2、空间热阻、空间热阻根据角系数定义，两黑体表面间的总辐射换根据角系数定
6、义，两黑体表面间的总辐射换热量：热量：与与I=U/RI=U/R相比较，有：相比较，有：传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer空间热阻空间热阻 n描述了由于几何尺寸和相对位置的原因，使得从描述了由于几何尺寸和相对位置的原因，使得从一个表面发射的辐射能量不能全部到达另一个一个表面发射的辐射能量不能全部到达另一个表面而造成的辐射换热的阻力。表面而造成的辐射换热的阻力。n两黑体表面间辐射换热的热阻网络如图所示。两黑体表面间辐射换热的热阻网络如图所示。n取决于表面间的几何关系，当表面间的角系数越取决于表面间的几何关系，当表面间的角系数越小或表面积越小，则能量从表面小或表面积越
7、小，则能量从表面1 1投射到表面投射到表面2 2上的空间热阻就越大。上的空间热阻就越大。传热学传热学 Heat TransferHeat Transfern对于两平行的黑体大平壁（对于两平行的黑体大平壁（A1=A2=A），若略），若略去周边溢出的辐射热量，可以认为：去周边溢出的辐射热量，可以认为：X1,2=X2,1=1，n且由斯蒂芬且由斯蒂芬-波尔兹曼定律知波尔兹曼定律知Eb=bT4，此时：，此时：传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer三、多个黑体表面间的辐射换热三、多个黑体表面间的辐射换热如图所示为如图所示为n n个黑体表面组成了封闭空腔。个黑体表面组成了封闭空腔
8、。1 1、封闭空腔某一黑体表面的净换热量：、封闭空腔某一黑体表面的净换热量：2 2、角系数的完整性：、角系数的完整性：注意：注意：对于平面或凸表面等于对于平面或凸表面等于0 0，对于凹面不等于，对于凹面不等于0 0。传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer计算黑表面与所有其他黑表面的辐射换热：计算黑表面与所有其他黑表面的辐射换热：表明：表明：黑表面黑表面i i与所有其他黑表面的总辐射换热量，与所有其他黑表面的总辐射换热量，就是黑表面就是黑表面i i发射的能量与诸黑表面向表面发射的能量与诸黑表面向表面i i投射投射能量的差额。能量的差额。传热学传热学 Heat Tran
9、sferHeat Transfer四、封闭空腔网络法四、封闭空腔网络法 1、封闭空腔网络法、封闭空腔网络法 n首先所有表面必须形成封闭空腔。首先所有表面必须形成封闭空腔。n然后根据以下原则绘出辐射换热热阻网络图，然后根据以下原则绘出辐射换热热阻网络图，如图所示分别为两个和三个黑体表面组成封如图所示分别为两个和三个黑体表面组成封闭空腔时辐射换热热阻网络图。闭空腔时辐射换热热阻网络图。传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer每个表面是一个结点，其热势为每个表面是一个结点，其热势为EbEb每两个表面间连接一个相应的空间热阻。每两个表面间连接一个相应的空间热阻。若某角系数为若
10、某角系数为0 0，即空间热阻，即空间热阻，则相应两个表，则相应两个表面间可以断开，不连接空间热阻。面间可以断开，不连接空间热阻。若某表面绝热，则其为浮动热势，不与接地相连。若某表面绝热，则其为浮动热势，不与接地相连。称绝热表面或重辐射面。称绝热表面或重辐射面。再根据辐射换热热阻网络图进行辐射换热计算。再根据辐射换热热阻网络图进行辐射换热计算。网络法要点网络法要点：传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer2 2、黑体表面辐射换热的计算、黑体表面辐射换热的计算两黑体表面：两黑体表面：三个黑体表面：三个黑体表面：传热学传热学 Heat TransferHeat Transf
11、er3 3、绝热表面、绝热表面 n绝热表面又称重辐射表面，是指绝热良好，因而在由绝热表面又称重辐射表面，是指绝热良好，因而在由多个表面组成的辐射换热体系中净得失热量为零的表多个表面组成的辐射换热体系中净得失热量为零的表面。面。n实用价值：如各种加热炉、工业窑炉，如果炉墙隔热实用价值：如各种加热炉、工业窑炉，如果炉墙隔热比较好，就可以近似视为绝热面。比较好，就可以近似视为绝热面。n对于有一个重辐射面的三表面辐射换热体系来说，来对于有一个重辐射面的三表面辐射换热体系来说，来自高温表面自高温表面1 1的热流必定等于流向低温表面的热流必定等于流向低温表面2 2的热流。的热流。而重辐射表面而重辐射表面3
12、 3的的“电位电位”是是“浮动浮动”的，它的数值的，它的数值取决于左右两个空间热阻的相对大小。取决于左右两个空间热阻的相对大小。传热学传热学 Heat TransferHeat Transfern从物理本质看，重辐射面本身没有净得失热量，从物理本质看，重辐射面本身没有净得失热量，但是它对整个体系的换热状况产生了明显的影但是它对整个体系的换热状况产生了明显的影响。它为响。它为1 1、2 2两个表面之间的辐射热交换提供两个表面之间的辐射热交换提供了另一条并联途径。了另一条并联途径。n存在重辐射表面时，辐射换热求解将简化，只需存在重辐射表面时，辐射换热求解将简化，只需用热阻串并联的办法就可以解出来。
13、用热阻串并联的办法就可以解出来。传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer【例例9-19-1】：有一半球形容器：有一半球形容器r r1m1m，底部的圆形，底部的圆形面积上有温度为面积上有温度为200200的辐射表面和温度为的辐射表面和温度为4040的吸热表面的吸热表面2 2，它们各占圆形面积之半。，它们各占圆形面积之半。1 1、2 2表表面均系黑表面，容器壁面面均系黑表面，容器壁面3 3是绝热表面。试计算是绝热表面。试计算表面表面1 1、2 2之间的辐射换热和容器壁之间的辐射换热和容器壁3 3的温度。的温度。传热学传热学 Heat TransferHeat Transf
14、er解：解：角系数：角系数：表面表面1 1、2 2之间没有直接辐射换热，仅是依靠绝热表之间没有直接辐射换热，仅是依靠绝热表面面3 3间接地进行辐射换热，其换热量为：间接地进行辐射换热，其换热量为：传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer根据辐射换热热阻网络图的特点，存在以下关系：根据辐射换热热阻网络图的特点，存在以下关系：从而得到容器壁从而得到容器壁3 3的温度的温度 传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer第二节第二节 (漫漫-)-)灰体表面间的辐射换热灰体表面间的辐射换热一、有效辐射及有效投射一、有效辐射及有效投射(漫漫-)-)灰体表面间
15、的辐射换热比较复杂，无论是表面辐射出去灰体表面间的辐射换热比较复杂，无论是表面辐射出去还是投射到表面的能量均包括自身辐射和其他表面辐射的还是投射到表面的能量均包括自身辐射和其他表面辐射的能量。能量。为处理问题方便，定义：为处理问题方便，定义：有效辐射有效辐射：离开某表面单位面积上的辐射能量，：离开某表面单位面积上的辐射能量，J J，W/mW/m2 2。有效投射有效投射：到达某表面单位面积上的辐射能量，：到达某表面单位面积上的辐射能量，G G，W/mW/m2 2。有效辐射把表面的自身发射和对外来投射的反射合并起来考虑。有效辐射把表面的自身发射和对外来投射的反射合并起来考虑。传热学传热学 Heat
16、 TransferHeat Transfer二、表面热阻二、表面热阻1 1、净辐射换热量、净辐射换热量表面有效辐射为：表面有效辐射为：则该表面净辐射换热量为：则该表面净辐射换热量为：传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer 即为表面热阻。即为表面热阻。它只与物体表面辐射和吸收特性它只与物体表面辐射和吸收特性有关。图为辐射换热热阻网络图。有关。图为辐射换热热阻网络图。2 2 表面热阻表面热阻对于漫对于漫-灰表面，灰表面，=。合并上述两式，有：。合并上述两式，有：传热学传热学 Heat TransferHeat Transfern可以看出，当灰表面的吸收比或发射率可以看出
17、，当灰表面的吸收比或发射率越大，即表面越接近黑体，则此阻力就越越大，即表面越接近黑体，则此阻力就越小。对黑表面来说，表面热阻为零，此时小。对黑表面来说，表面热阻为零，此时有效辐射有效辐射J1就是黑体辐射力就是黑体辐射力Eb1传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer三、网络法分析漫灰表面间的辐射换热三、网络法分析漫灰表面间的辐射换热1 1、两个表面间的辐射换热、两个表面间的辐射换热两个漫两个漫-灰表面组成封闭空腔，灰表面组成封闭空腔，其辐射换热热阻网络如图所示。其辐射换热热阻网络如图所示。换热量：换热量：分析：分析：1 1）修正因子）修正因子s s2 2）适用条件：仅适
18、用于计算非凹表面。）适用条件：仅适用于计算非凹表面。传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer换热量：换热量：空腔与内包壁空腔与内包壁特点特点 换热量：换热量：两个特例：两个特例：两无限大平壁两无限大平壁 特点：特点：【例例9-29-2、9-39-3】传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer习题习题1412E1 J1 J2=G1传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer板1的本身辐射 对板1的投入辐射即为板2的有效辐射 板1的反射辐射 板1的有效辐射 板2
19、的有效辐射 板1、2间的辐射换热量 传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer2 2、两个以上表面间的辐射换热、两个以上表面间的辐射换热以三个漫以三个漫-灰表面组成封闭空腔为例，其辐射换热热阻网络灰表面组成封闭空腔为例，其辐射换热热阻网络如图所示。如图所示。表面的净换热量：表面的净换热量：表面间的换热量：表面间的换热量：传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer有效辐射的确定应用电学的基尔霍夫定律应用电学的基尔霍夫定律流入每个结点的电流流入每个结点的电流(即热流即热流)总和总和为零，联立求解。为零，联立求解。传热学传热学 Heat Transfe
20、rHeat Transfer1 1）分析封闭系统组成及各表面性质；分析封闭系统组成及各表面性质；2 2）画等效电路图；画等效电路图；3)3)列出各节点的热流列出各节点的热流(电流电流)方程组；方程组；4)4)求解方程组，以获得各个节点的有效辐射；求解方程组，以获得各个节点的有效辐射；5)5)利用公式利用公式 计算每个表面的净辐计算每个表面的净辐 射热流量和表面间的辐射换热量。射热流量和表面间的辐射换热量。网络法的基本步骤网络法的基本步骤传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer【例9-4】简化：大房间壁面表面热阻为简化：大房间壁面表面热阻为0传热学传热学 Heat Tr
21、ansferHeat Transfer【例9-5】简化：大房间壁面表面热阻为简化：大房间壁面表面热阻为0，且绝热。且绝热。传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer由于工程上的需求，经常需要强化或削弱辐射换热。由于工程上的需求，经常需要强化或削弱辐射换热。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)增加发射率；增加发射率；(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)降低发射率；降低发射率；(2)降低角系数；降低角系数；(3)加入隔热板。加入隔热板。其实插入防热板相当于降低了表面发射率。其实插入防热
22、板相当于降低了表面发射率。本节主要讨论这种削弱辐射换热的方式。本节主要讨论这种削弱辐射换热的方式。四、辐射换热的控制措施四、辐射换热的控制措施传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer现在在两面之间插入一块发射率为现在在两面之间插入一块发射率为3 3 的遮热板，的遮热板，这样就组成了两个换热系统，如图所示这样就组成了两个换热系统，如图所示.对于两个无限大平面组成的封闭系统，其单位表面积换热量为对于两个无限大平面组成的封闭系统，其单位表面积换热量为:遮热板原理遮热板原理遮热板原理遮热板原理传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer稳态时有稳态时有:
23、可见，与没有遮热板时相比，辐射换热量减小了一半。当可见，与没有遮热板时相比，辐射换热量减小了一半。当加入加入n块与壁面发射率相同的遮热板，则换热量将减少到块与壁面发射率相同的遮热板，则换热量将减少到原来的原来的1/（n1）。即遮热板层数越多，遮热效果越好。）。即遮热板层数越多，遮热效果越好。传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer未加遮热板时：未加遮热板时：在板间加入遮热板后：在板间加入遮热板后：【例例9-7】传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer 漫射表面间的辐射换热计算，必须先要漫射表面间的辐射换热计算，必须先要知道它们之间的辐射角系数
24、。求角系数知道它们之间的辐射角系数。求角系数的常用方法有：的常用方法有：(1)直接积分法直接积分法 (2)数值计算方法数值计算方法 (3)图解方法图解方法 (4)代数方法代数方法 (5)几何投影方法几何投影方法(单位球法单位球法)，这里主要介绍积分法和代数法。这里主要介绍积分法和代数法。第三节第三节 角系数的确定方法角系数的确定方法传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer一一.积分法积分法 直接用角系数的公式进行积分得出。直接用角系数的公式进行积分得出。此法太烦，有人做成图表，供查阅此法太烦，有人做成图表，供查阅P242、243图图传热学传热学 Heat Transf
25、erHeat Transfer传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer注意：查图时，严格按图示确定注意：查图时，严格按图示确定X、Y、Z的值。的值。传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer1、角系数的性质、角系数的性质二二.代数法代数法代数法是以角系数的性质为基础的。互换性：完整性：分解性：（如图所示）传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer发射面被分解：受射面被分解：传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer例例1：三个非凹表
26、面构成的封闭系统，如图完整性：相对性：六个方程六个未知数可解三、举例三、举例传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer例例2：任意两个不相交非凹表面，如图做辅助线ac，bd由完整性或再作辅助线ad、bc，则成为两个三表面封闭系统。于是传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer例例3、求空腔内壁面、求空腔内壁面2对开口对开口1的角系数。的角系数。利用角系数的互换性和完整性利用角系数的互换性和完整性即可求出。作辅助面即可求出。作辅助面1，如图所，如图所示。由于壁面示。由于壁面2为凹表面，为凹表面，所以所以 由角系数的互换性由角系数的互换性 但但 传热
27、学传热学 Heat TransferHeat Transfer例题例题9-9传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer第四节第四节 气体辐射气体辐射 各种气体辐射和吸收特性差异较大各种气体辐射和吸收特性差异较大n单原子气体和某些分子结构为对称型双原单原子气体和某些分子结构为对称型双原子气体子气体(如如O2、N2、H2等等)，仅具有微弱的，仅具有微弱的辐射和吸收能力，一般可认为属热辐射的辐射和吸收能力，一般可认为属热辐射的透明介质；透明介质；n三原子、多原子及分子结构为不对称型的三原子、多原子及分子结构为不对称型的双原子气体（如双原子气体（如CO2、H2O(g)、SO2、
28、CH4、CO）等，具有较强的辐射和吸收能）等，具有较强的辐射和吸收能力。力。传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer一、特点一、特点1、具有辐射和吸收能力的、具有辐射和吸收能力的气体，其辐射和吸收特性具有明显气体，其辐射和吸收特性具有明显的选择性的选择性 如图所示为具有辐射和吸收能力气体的辐射和吸收光谱，可见其辐射和吸收特性具有明显的选择性，即仅在某些波长范围内具有辐射和吸收能力，而对应波长范围称为光带。由于辐射对波长具有选择性，所以气体不能作灰体。由于辐射对波长具有选择性，所以气体不能作灰体。传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer气体 透
29、明固体 传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer特点特点2、气体的辐射和吸收是在其整个容、气体的辐射和吸收是在其整个容积内进行的积内进行的 固体和液体的辐射和吸收是在表面进行固体和液体的辐射和吸收是在表面进行的，而气体则在其整个容积内进行的。的，而气体则在其整个容积内进行的。光带内辐射能量减弱的程度与射线行程光带内辐射能量减弱的程度与射线行程以及气体的温度、分压力有关，即：以及气体的温度、分压力有关，即：传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer 二、气体吸二、气体吸收定律收定律 可以看出光谱辐射强度穿过气体层是按指数规律减弱的。可以看出光谱辐
30、射强度穿过气体层是按指数规律减弱的。某波长射线穿过气体层时的减弱某波长射线穿过气体层时的减弱 传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer本章小结本章小结n基本概念：角系数、有效辐射、辐射表面基本概念：角系数、有效辐射、辐射表面热阻、辐射空间热阻；热阻、辐射空间热阻；n计算：计算：代数法和图解法确定角系数；代数法和图解法确定角系数；两个或三个表面组成封闭空腔中表面间的辐射两个或三个表面组成封闭空腔中表面间的辐射换热量和每个表面的净辐射换热量计算。换热量和每个表面的净辐射换热量计算。n应用：应用：遮热板工作原理；遮热板工作原理；测温误差分析。测温误差分析。传热学传热学 Heat TransferHeat Transfer作业：作业：6、11（右（右2图）、图）、15、18、28