第章辐射换热计算课件.ppt
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- 辐射 计算 课件
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1、第章辐射换热计算预备知识预备知识物体的辐射和吸收特性物体的辐射和吸收特性本章主要介绍本章主要介绍物体间辐射换热的计算方法物体间辐射换热的计算方法,包括:,包括:1. 1. 两个和多个表面所组成系统的辐射换热计算两个和多个表面所组成系统的辐射换热计算2. 2. 辐射换热中重要的几何因子辐射换热中重要的几何因子角系数角系数3.3. 烟气的辐射特性烟气的辐射特性及其及其与壳体间的辐射换热计算与壳体间的辐射换热计算4. 4. 辐射的强化与削弱辐射的强化与削弱5. 5. 太阳辐射简介太阳辐射简介2一、任意位置两非凹黑表面间的辐射传热一、任意位置两非凹黑表面间的辐射传热dA1dA1投射到投射到dA2dA2
2、的辐射能的辐射能( (即即dA2dA2吸收的吸收的) ):对于黑体:对于黑体:代入得:代入得:净辐射换热量:净辐射换热量:dA2dA2投射到投射到dA1dA1的辐射能的辐射能( (即即dA2dA2发射的发射的) )11bbIE立体角定义中的面积为与法线垂直的面积立体角定义中的面积为与法线垂直的面积9-1 9-1 黑表面间的辐射传热黑表面间的辐射传热3A1A1与与A2A2间的净辐射换热量:间的净辐射换热量:角系数角系数发出的辐射能由上的辐射能发出的落到由121,21dAdAdAXdAdA4A1A1与与A2A2间的净辐射换热量:间的净辐射换热量:角系数是一个几何量,只取决于表面的形状、大小和相对角
3、系数是一个几何量,只取决于表面的形状、大小和相对位置,与物体的辐射能力无关。位置,与物体的辐射能力无关。A1A1对对A2A2的角系数:的角系数:同理,同理,A2A2对对A1A1的角系数:的角系数:角系数的互换性角系数的互换性净辐射换热量:净辐射换热量:5T1T2T1T2净辐射换热量:净辐射换热量:12, 1424112, 1212, 11)100()100(1AXTTCAXEEbbb热阻网络图热阻网络图1bE2bE21 ,212, 111AXAX辐射空间热阻辐射空间热阻( (geometric resistance,或形状热阻,或形状热阻) ) 取决于表面间的几何关系取决于表面间的几何关系 表
4、面积或角系数越小,空间热阻越大。表面积或角系数越小,空间热阻越大。特例:无限长平行黑体平壁特例:无限长平行黑体平壁ATTCAEEbbb)100()100()(4241212, 112, 1X6二、封闭空腔黑表面间的辐射传热二、封闭空腔黑表面间的辐射传热空腔法:以实际或假想表面组成封闭空腔空腔法:以实际或假想表面组成封闭空腔表面表面i i 与其它黑表面间的与其它黑表面间的净辐射换热量净辐射换热量:i i表面的净辐射换热量表面的净辐射换热量=i=i黑表面发射的黑表面发射的- -其他黑表面向其他黑表面向i i投出的投出的1.,1 ,niijiXXX角系数的完整性:7画热阻网络图:画热阻网络图:三个黑
5、表面三个黑表面若若: :其中其中表面表面3 3绝热绝热 3=03=0 也称为也称为重辐射面重辐射面 E3 E3 为为浮动电位浮动电位,其温度随其他表面,其温度随其他表面辐射状况而改变辐射状况而改变 例如:加热炉中的例如:加热炉中的反射拱反射拱,绝热,绝热,作用为改变辐射线方向作用为改变辐射线方向三个黑表面组成的封闭空腔三个黑表面组成的封闭空腔吸热面吸热面辐射面辐射面反射拱反射拱画热阻网络图画热阻网络图书书P229例例9-18重辐射面重辐射面-即即两重性两重性 从温度上看,可以将其视为黑体;从温度上看,可以将其视为黑体; 从能量上看,可以将其当作反射率为从能量上看,可以将其当作反射率为1的表面。
6、的表面。所以重辐射表面是在一定条件下的黑体或白体。所以重辐射表面是在一定条件下的黑体或白体。 因为重辐射面的温度与其它表面的温度不同,因为重辐射面的温度与其它表面的温度不同,所以重辐射面的存在改变了辐射能的方向分布。重所以重辐射面的存在改变了辐射能的方向分布。重辐射面的几何形状、尺寸及相对位置将影响整个系辐射面的几何形状、尺寸及相对位置将影响整个系统的辐射换热。统的辐射换热。 吸热面吸热面辐射面辐射面反射拱反射拱9T1一、有效辐射一、有效辐射指:单位时间内离开灰表面单位面积的总辐射能,指:单位时间内离开灰表面单位面积的总辐射能,J, W/m29-2 9-2 灰表面间的辐射换热灰表面间的辐射换热
7、灰表面?灰表面? 自身发射辐射自身发射辐射E 投入辐射投入辐射 G 被反射辐射的部分被反射辐射的部分(:表面的反射比,可表示成:表面的反射比,可表示成1) 辐射探测仪测量的为有效辐射辐射探测仪测量的为有效辐射黑体黑体G-投入辐射投入辐射W/m2。 T111111111(1)bJEGEG 10111111111GEGEGJqb从表面从表面 1 1 外部,净辐射换热量为:外部,净辐射换热量为:从表面内部,从表面内部,该表面与外界的辐射换热量为:该表面与外界的辐射换热量为:111qEG联立消去联立消去G1,得,得J与表面净辐射换热量的关系与表面净辐射换热量的关系:11(1)bEJqEqAJEb1灰表
8、面灰表面1的净辐射换热量的净辐射换热量:T1表面热阻表面热阻Surface resistance111111bEJG11二、两灰表面组成的封闭腔的辐射换热二、两灰表面组成的封闭腔的辐射换热两个等温漫灰表面封闭系统的辐射网络图:两个等温漫灰表面封闭系统的辐射网络图:两表面间辐射换热量:两表面间辐射换热量:1bE1J2J2bE1111A11,21A X2221A2222, 11111212, 1111AXAAEEbb12根据上式及能量守恒有根据上式及能量守恒有1,2111,2222,1A J XA J X(a)11111,2111bJ AA E(b)22222,1211bJ AA E(c)1,22
9、,1 (d)11(1)bEJqEq因为因为推导过程:推导过程:两等温漫灰表面间的辐射换热量:两等温漫灰表面间的辐射换热量:2222,11111212,1111AXAAEEbb1311111)(2212, 112112, 1AAXEEAbb11,2121,22,112()11111bbAXEEXX11,212()sbbAXEE1,22,11211111sXX 系统发射率系统发射率 (或称为系统黑度)灰表面发射率小于灰表面发射率小于1 1,引起多次吸收、反射,引起多次吸收、反射数值小于数值小于1 1若以若以A1为计算面积,上式可改写为:为计算面积,上式可改写为: 比较两黑体间辐射换热:比较两黑体间
10、辐射换热:12, 1212, 1)(AXEEbb14三种特殊情形三种特殊情形(1) 表面表面1为凸面或平面,此时,为凸面或平面,此时,X1,21,于是,于是1111112212 , 112 , 1AAXXs11112211AAs1121,21122()111bbA EEAA4241110010067. 5TTAs其中系统发射率为:其中系统发射率为: 注:表面注:表面1为凹面时,也可采用上述方法为凹面时,也可采用上述方法计算,但需换用有效面积计算,但需换用有效面积A1effect实例:实例:暖器、管道与房间暖器、管道与房间151s(2) 表面积表面积A1比表面积比表面积A2小得多,即小得多,即A
11、1/A2 0 ,X1,21A1A2T1T242411121112, 110010067. 5TTAEEAbb实例:实例: 大房间内的小物体大房间内的小物体(如高温管道等如高温管道等) 气体容器内气体容器内(或管道内或管道内)热电偶测温的辐射误差热电偶测温的辐射误差 。11111)(2212, 112112, 1AAXEEAbb16111121s11110010067. 5111)(2142411212112, 1TTAEEAbb(3) 表面积表面积A1与表面积与表面积A2相当,即相当,即A1/A2 1A1A244()sbATT实例:实例:平行平面平行平面暖水瓶暖水瓶17使用条件:漫灰面、等温、
12、物性均匀以及投射辐射均匀使用条件:漫灰面、等温、物性均匀以及投射辐射均匀三个灰表面组成封闭空腔三个灰表面组成封闭空腔(1) 画出热阻网络图,画出热阻网络图,4个表面?个表面?(2) 计算计算i表面的净辐射换热量表面的净辐射换热量i(3) 能否算能否算i,j(4) 有效辐射有效辐射Ji的计算的计算(5) 表面表面3为黑表面为黑表面(6) 表面表面3为绝热面为绝热面iiiibiiAJE1三、三、 多个灰表面系统辐射换热的计算多个灰表面系统辐射换热的计算1、网络法、网络法18节点节点 的热流方程如下:的热流方程如下:321,JandJJ求解上面的方程组求求解上面的方程组求Ji,再计算净换热量,再计算
13、净换热量i。类比:基尔霍夫电流定律类比:基尔霍夫电流定律-流入每个节点的电流为流入每个节点的电流为019三个灰表面组成封闭空腔三个灰表面组成封闭空腔(1) 画出热阻网络图,画出热阻网络图,4个表面?个表面?(2) 计算计算i表面的净辐射换热量表面的净辐射换热量i(3) 能否算能否算i,j(4) 有效辐射有效辐射Ji的计算的计算(5) 表面表面3为黑表面为黑表面(6) 表面表面3为绝热面为绝热面三、三、 多个灰表面系统辐射换热的计算多个灰表面系统辐射换热的计算1、网络法、网络法两个特例两个特例 有一个表面为黑体。有一个表面为黑体。黑体的表面热阻为零黑体的表面热阻为零J3 Eb3 ,3=-(1+
14、2)20 有一个表面绝热,有一个表面绝热,即该表面的净换热量为零即该表面的净换热量为零。特点:特点:30,J3Eb3T4 不与电源相连不与电源相连与黑表面的区别:与黑表面的区别: 黑表面温度不随其他表面改变,黑表面温度不随其他表面改变,净热量不一定为净热量不一定为0; 绝热面绝热面净热量为净热量为0,温度随其他,温度随其他表面状况改变。例如书表面状况改变。例如书P23621当一个表面为重辐射面时,其余两个表面间的当一个表面为重辐射面时,其余两个表面间的净辐射换热量可按直接由网络图写出,净辐射换热量可按直接由网络图写出,tbbREE212, 1eqtRAAR22211111按电学原理,并联的等效
15、电阻按电学原理,并联的等效电阻Req为为 3 , 223 , 112, 11111111XAXAXAReq可求得可求得1,2 22二、数值解法二、数值解法例:四个表面例:四个表面表面个数多时,网络法计算繁琐,可采用数值解法表面个数多时,网络法计算繁琐,可采用数值解法011114 , 11143 , 11132 , 111211111XAJJXAJJXAJJAJEb011114 . 22243 , 22231 , 222122212XAJJXAJJXAJJAJEb011114 , 33342 , 33321 , 333133333XAJJXAJJXAJJAJEb011113 , 44432 ,
16、44421 , 444144444XAJJXAJJXAJJAJEb23011113 , 44432 , 44421 , 444144444XAJJXAJJXAJJAJEb把它们改写成关于把它们改写成关于J J1 1J J4 4的代数方程后,有的代数方程后,有11111144, 133 , 122, 111bEJXJXJXJ11122244 , 233 , 22211 , 2bEJXJXJJX11133344 , 33322 , 311 , 3bEJXJJXJX1114444433 , 422 , 411 , 4bEJJXJXJX以上以上4 4式可统一写成式可统一写成( (参考参考 书书P237
17、)P237)数值求解数值求解jijjiiiiXJTJ,414124表面再多,如此很难处理。这时可用公式与计算机结合表面再多,如此很难处理。这时可用公式与计算机结合NN个表面构成的封闭系统,则第个表面构成的封闭系统,则第I I个表面的有效辐射个表面的有效辐射iibiiiibiiiGEGaEJ11第第I I个表面的投射辐射个表面的投射辐射jiNjjijijNjjiXJAAXJG,1,1/代入有效辐射表达式代入有效辐射表达式NjjiJibiiiXJEJ1,14 非凹假设没有必要非凹假设没有必要4 表面划分要以热边界条件为主要依据表面划分要以热边界条件为主要依据25例题例题 液氧储存容器为双壁镀银的夹
18、层结构,外壁内表面温度液氧储存容器为双壁镀银的夹层结构,外壁内表面温度t tw1w1=20=20,内壁外表面温度,内壁外表面温度t tw2w2=-183=-183,镀银壁的发射率,镀银壁的发射率=0.02,=0.02,试计算由于辐射传热每单位面积容器壁的散热量。试计算由于辐射传热每单位面积容器壁的散热量。解:解:KKtTww2732027311KKKtTww9027318327322因容器夹层的间隙很小,可认为属于无因容器夹层的间隙很小,可认为属于无限大平行表面间的辐射传热问题。限大平行表面间的辐射传热问题。2444221424102 , 118. 4102. 0102. 019 . 093.
19、 267. 5111100100mWKKKmWTTcqww26例题例题 一根直径一根直径d=50mmd=50mm,长度,长度l=8ml=8m的钢管,被置于横断面为的钢管,被置于横断面为 0.2 m0.2 m 0.2m 0.2m 的砖槽道内。若钢管温度和发射率分别为的砖槽道内。若钢管温度和发射率分别为t t1 1=250=250,1 1= 0.79= 0.79砖槽壁面温度和发射率分别为砖槽壁面温度和发射率分别为t t2 2=250=250,2 2=0.93=0.93,试计算该钢管的辐射热损失。,试计算该钢管的辐射热损失。解:因表面解:因表面1 1非凹,可直接应用式非凹,可直接应用式(8-15)(
20、8-15)计算钢管的辐射热损失计算钢管的辐射热损失1111001002211424101AATTCAKWWKKKmWmm710. 33710193. 012 . 0405. 014. 379. 0110030010052367. 5805. 014. 3444227例题例题 一直径一直径d=0.75md=0.75m的圆筒形埋地式加热炉采用电加热方法加热,的圆筒形埋地式加热炉采用电加热方法加热,如图。在操作过程中需要将炉子顶盖移去一段时间,设此时筒身温如图。在操作过程中需要将炉子顶盖移去一段时间,设此时筒身温度为度为500K500K,筒底为,筒底为650K650K。环境温度为。环境温度为300K
21、300K,试计算顶盖移去其间,试计算顶盖移去其间单位时间内的热损失。设筒身及底面均可作为黑体。单位时间内的热损失。设筒身及底面均可作为黑体。31131322323,13,2bbbbEEXAEEXA据角系数图,据角系数图,得, 4375. 0/5 . 1/,25. 05 . 1 /375. 012rllr94. 006. 01,06. 02 , 13 , 1XX再据相对性得再据相对性得解:从加热炉的侧壁与底面通过顶部开口散失解:从加热炉的侧壁与底面通过顶部开口散失到厂房中的辐射热量几乎全被厂房中物体吸收,到厂房中的辐射热量几乎全被厂房中物体吸收,返回到炉中的比例几乎为零。因此,可以把炉返回到炉中
22、的比例几乎为零。因此,可以把炉顶看成是一个温度为环境温度的黑体表。面加顶看成是一个温度为环境温度的黑体表。面加热炉散失到厂房中的辐射能即为热炉散失到厂房中的辐射能即为118. 094. 05 . 175. 014. 34/75. 014. 322, 1211 , 2XAAX28由对称性得由对称性得X X2 2,3 3=X=X2 2,1 1,故最后得故最后得4410030010050067. 5118. 05 . 175. 014. 344210030010065067. 506. 075. 0414. 3W1542256128629例题例题 两块尺寸为两块尺寸为1m1m 2m2m,间距为间距为
23、1m1m的平行平板置于室温的平行平板置于室温t t3 3=27=27的大厂房内。平板背面不参与换热。已知两板的温度的大厂房内。平板背面不参与换热。已知两板的温度和发射率分别为和发射率分别为t t1 1=827=827,t t2 2=327=327, 1 1=0.2=0.2, 2 2=0.5=0.5,试计算每个板的净辐射热量及厂房壁所得到的辐射热量。试计算每个板的净辐射热量及厂房壁所得到的辐射热量。解:本题是解:本题是3 3个灰表面间的辐射传热问题。厂房很大,表面热阻可取为零,个灰表面间的辐射传热问题。厂房很大,表面热阻可取为零,J J3 3=E Eb3b3。网络图如下。网络图如下。据给定的几何
24、特性据给定的几何特性X/DX/D=2=2,Y/DY/D=1=1,由图,由图8-78-7查出:查出:285. 01 , 22 , 1 XX而而715. 0285. 0112 , 13 , 23 , 1XXX计算网络中的各热阻值:计算网络中的各热阻值:21110 . 222 . 02 . 011mA22225 . 025 . 05 . 011mA22, 1175. 1285. 0211mXA23 , 22699. 0715. 0211mXA23 , 11699. 0715. 0211mXA30以上各热阻的数值都已标出在图以上各热阻的数值都已标出在图8-278-27上。对上。对J J1 1,J J2
25、 2节点应用节点应用直流电路的基尔霍夫定律,直流电路的基尔霍夫定律,J J1 1节点节点 0699. 075. 12131211JEJJJEbbJ J2 2节点节点05 . 0699. 075. 1222321JEJEJJbb而而44101100110067. 5100TCEb23kW/m01.831001.832344202kW/m348. 710348. 710060067. 5100TCEb2244303/459. 0/45910030067. 5100mkWmWTCEb将将E Eb1b1,E Eb2b2,E Eb3b3的值代入方程,联立求解得的值代入方程,联立求解得2221/437.
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