工程热物理所中国科学技术大学课件

,第八章 辐射换热的计算,8-1 角系数的定义、性质及计算,前面讲过，热辐射的发射和吸收均具有空间方向特性，因此，表面间的辐射换热与表面几何形状、大小和各表面的相对位置等几个因素均有关系，这种因素常用角系数来考虑。角系数的概念是随着固体表面辐射换热计算的出现与发展，于20世纪20年代提出的，它有很多名称，如，形状因子、可视因子、交换系数等等。但叫得最多的是角系数。值得注意的是，角系数只对漫射面(既漫辐射又漫发射)、表面的发射辐射和投射辐射均匀的情况下适用。 1. 角系数的定义 在介绍角系数概念前，要先温习两个概念 投入辐射：单位时间内投射到单位面积上的总辐射能，记为G。,下面介绍角系数的概念及表达式。 (1) 角系数：有两个表面，编号为1和2，其间充满透明介质，则表面1对表面2的角系数X1,2是：表面1直接投射到表面2上的能量，占表面1辐射能量的百分比。即,(2)有效辐射：单位时间内离开单位面积的总辐射能为该表面的有效辐射，参见图8-1 。包括了自身的发射辐射E和反射辐射G。G为投射辐射。,图8-1 有效辐射示意图,同理，也可以定义表面2对表面1的角系数。从这个概念我们可以得出角系数的应用是有一定限制条件的，即漫射面、等温、物性均匀,(8-1),(2) 微元面对微元面的角系数 如图8-2所示，黑体微元面dA1对微元面dA2的角系数记为Xd1,d2，则根据前面的定义式有,类似地有,(3) 微元面对面的角系数 由角系数的定义可知，微元面dA1对面A2的角系数为,图8-2 两微元面间的辐射,(8-2b),(4) 面对面的角系数 面A1对面A2的角系数X1,2以及面A2对面A1的角系数X2,1分别为,微元面dA2对面A1的角系数则为,(8-3a),(8-3b),(8-4a),(8-4b),2. 角系数性质 根据角系数的定义和诸解析式，可导出角系数的代数性质。 (1) 相对性 由式(8-2a)和(8-2b)可以看出,由式(8-4a)和(8-4b)也可以看出,以上性质被称为角系数的相对性。,上式称为角系数的完整性。若表面1为非凹表面时，X1,1 = 0。,值得注意的是，上图中的表面2对表面1的角系数不存在上述的可加性。,图8-3 角系数的完整性,(2) 完整性 对于有n个表面组成的封闭系统，见图8-3所示，据能量守恒可得:,(3) 可加性 如图8-4所示，表面2可分为2a和2b两个面，当然也可以分 为n个面，则角系数的可加性为,图8-4 角系数的可加性,再来看一下2 对 1 的能量守恒情况:,3 角系数的计算方法 求解角系数的方法通常有直接积分法、代数分析法、几何分析法以及Monte-Carlo法。直接积分法的结果见公式(8-2)(8-4)。下面只给出代数分析法。 代数分析法是利用角系数的各种性质，获得一组代数方程，通过求解获得角系数。值得注意的是，(1)利用该方法的前提是系统一定是封闭的，如果不封闭可以做假想面，令其封闭；(2)凹面的数量必须与不可见表面数相等。下面以三个非凹表面组成的封闭系统为例，如图8-5所示，面积分别为A1，A2和A3 ，则根据角系数的相对性和完整性得:,通过求解这个封闭的方程组，可得所有角系数，如X1,2为:,图8-5 三个非凹表面组成的封闭系统,若系统横截面上三个表面的长度分别为l1，l2和l3，则上式可写为,下面考察两个表面的情况，假想面如图8-6所示，根据完整性和上面的公式，有:,图8-6 两个非凹表面及假想面组成的封闭系统,解方程组得:,该方法又被称为交叉线法。注意：这里所谓的交叉线和不交叉线都是指虚拟面断面的线，或者说是辅助线,8-2 被透明介质隔开的两固体表面间的辐射换热,图8-7 黑体系统的辐射换热,黑体表面 如图8-7所示，黑表面1和2之间的辐射换热量为,2 漫灰表面 灰体间的多次反射给辐射换热的计算带来麻烦，此时需要采用前面讲过的投入辐射G和有效辐射J的概念。下面在假设表面物性和温度已知的情况下，考察J与表面净辐射换热量之间的关系，为计算漫灰表面间的辐射换热作准备。如图8-1所示，对表面1来讲，净辐射换热量q为,消去上式中的G1，并考虑到 ，可得,即：,下面来分析两个等温漫灰表面封闭系统内的辐射换热情况。如图8-8所示，两个表面的净换热量为,根据下式及能量守恒有,(d),于是有,图8-8 两个物体组成的辐射换热系统,定义系统黑度(或称为系统发射率),与黑体辐射换热比较，上式多了一个 ，它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。,三种特殊情形,(1) 表面1为凸面或平面，此时，X1,21，于是,(2) 表面积A1比表面积A2小得多，即A1/A2 0 于是,(3) 表面积A1与表面积A2相当，即A1/A2 1 于是, 8-3 多表面系统辐射换热的计算,净热量法虽然也可以用于多表面情况，当相比之下网络法更简明、直观。网络法(又称热网络法，电网络法等)的原理，是用电学中的电流、电位差和电阻比拟热辐射中的热流、热势差与热阻，用电路来比拟辐射热流的传递路径。但需要注意的是，这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。下面从介绍相关概念入手，逐步展开。,热势差与热阻 上节公式(8-12)： 改写为： 式中， 称为表面热势差； 则被称为表面 辐射热阻。,外部： 内部：,表面辐射热阻见图8-9所示，可见，每一个表面都有一个表面辐射热阻。 对于黑表面， 1 Rr 0 即，黑体的表面热阻等于零。,又根据上节中的公式(d),以及角系数相对性？,式中， 是空间热势差， 则是空间辐射热阻，如图8-10所示，可见，每一对表面就有一个空间辐射热阻。,(2) 网络法的应用举例 首先来看前面讲过的两漫灰表面组成的封闭系统，参见图8-8，其等效网络图见8-11所示，根据电路中的基尔霍夫定律流入节电的电流总和等于零，列出个个节点的热流方程，组成有效辐射的联立方程组，见左式,8-12 由三个表面组成的封闭系统,8-13 三表面封闭腔的等效网络图,节点 的热流方程如下：,求解上面的方程组，再计算净换热量。,A 画等效电路图； B 列出各节点的热流(电流)方程组； C 求解方程组，以获得各个节点的等效辐射； D 利用公式 计算每个表面的净辐 射热流量。,总结上面过程，可以得到应用网络法的基本步骤如下：,b 有一个表面绝热，即该表面的净换热量为零。其网络图见图8-14b 和8-14c，与黑体不同的是，此时该表面的温度是未知的。同时，它仍然吸收和发射辐射，只是发出的和吸收的辐射相等。由于，热辐射具有方向性，因此，他仍然影响其它表面的辐射换热。这种表面温度未定而净辐射换热量为零的表面被称为重辐射面。,图8-14 三表面系统的两个特例,(3) 两个重要特例 a 有一个表面为黑体。黑体的表面热阻为零。其网络图见图8-14a。此时，该表面的温度一般是已知的。,8-4 辐射换热的强化与削弱,由于工程上的需求，经常需要强化或削弱辐射换热。 强化辐射换热的主要途径有两种： (1) 增加发射率；(2) 增加角系数。 削弱辐射换热的主要途径有三种： (1) 降低发射率；(2) 降低角系数； (3) 加入隔热板。 其实插入防热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。 对于两个无限大平面组成的封闭系统，其换热量为:,为简单起见，假设 ，则 上式变为 。 现在在两面之间插入一块发射率仍为 的遮热板， 这样就组成了两个换热系统，如图8-15所示.,稳态时有:,可见，与没有遮热板时相比，辐射换热量减小了一半。,图8-15 遮热板, 8-5 气体辐射,本节将简要介绍气体辐射的特点、换热过程及其处理方法。在工程中常见的温度范围内， 和 具有很强的吸收和发射热辐射的本领，而其他的气体则较弱，这也是本节采用这两种气体作为例子的原因。 1 气体辐射的特点 (1) 气体辐射对波长具有选择性。它只在某谱带内具有发射和吸收辐射的本领，而对于其他谱带则呈现透明状态。如图8-16所示。 (2) 气体的辐射和吸收是在整个容积中进行的。这是由于辐射可以进入气体，并在其内部进行传递，最后有一部分会穿透气体而到达外部或固体壁面，因而，气体的发射率和吸收比还与容器的形状和容积大小有关。,图8-16 CO2 和H2O的主要吸收谱带,图8-17 光谱辐射穿过气体层时的衰减,式中，负号表示吸收， 为光谱衰减系数，m-1，它取决于其体的种类、密度和波长。对上式进行积分可得,式中，s 是辐射通过的路程长度，常称之为射线程长。从上式可知，热辐射在气体内呈指数规律衰减。,3 气体辐射的光谱吸收比、光谱发射率 Beer公式可以写为,对于气体，反射率为零，于是有 根据Kirchhoff定律，光谱发射率为,4 气体的发射率 工程中作为关心的是确定气体所有谱带内辐射能量的总和。于是需要首先确定气体的发射率 ，然后利用 计算气体的发射辐射。而由于气体的容积辐射特性， 与射线程长关s系密切，而s取决于气体容积的形状和尺寸。如图8-18所示。为了使射线程长均匀，人们引入了当量半球的概念，将不是球形的容积等效为半球。则其半径就是等效的射线程长，见图8-19所示。目前人们已经将一些典型几何容积的气体对整个包壁的平均射线程长列于表8-1中。在缺少资料的情况下，任意几个形状气体对整个包壁的平均射线程长可按下式计算：,式中，V为气体容积，m3；A为包壁面积，m2。,图8-18 气体对不同地区的辐射,图8-19 半球内气体对球心的辐射,除了与s有关外，还与气体的温度和气体得分压力有关，于是我们有如下关系,利用上面的关系，可以采用试验获得 ，图8-20给出了 时的水蒸气发射率 的图线。图8-21则是其修正系数 ，于是，水蒸气的发射率为,对应于 的图分别是8-22和图8-23。于是,图8-20,图8-21 修正系数,图8-22,图8-23 修正系数,当气体中同时存在二氧化碳和水蒸气时，气体的发射率由下式给出:,式中， 是修正量，由图8-24给出。,图8-24 修正量,5 气体的吸收比,式中修正系数 和 与发射率公式中的处理方法相同，而 ， 和 的确定可以采用下面的经验公式,在其体发射率和吸收比确定后，气体与黑体外壳之间的辐射换热公式为:,本章小结 角系数的定义、性质、计算方法(特别是代数分析法)和适用条件 能量守恒的分析方法在两固体表面间辐射换热的应用 系统黑度的计算公式及三种特殊情形的处理 热网络法的基本思路、计算过程、热网络图 重辐射面的性质、影响辐射换热的形式及其温度的求解方法，以及重辐射面与黑表面的区别 辐射换热的强化与削弱应该考虑的因素及其作用过程，特别是热辐射挡板 气体辐射的特点：光谱依赖特性和容积辐射特性 气体辐射的衰减规律及其计算公式、气体的吸收系数和发射率 投入辐射、有效辐射、系统黑度、热势差、表面辐射热阻、空间辐射热阻、衰减系数、射线程长,思考题： 1.角系数的定义及性质. 2.两维表面间角系数的计算方法 (代数分析法, 图表法). 3.多层无限大灰体平板间的辐射换热计算方法. 4.有效辐射的概念及如何应用在灰体辐射计算中. 5.一个灰体和大空间之间辐射换热和对流换热同时被考虑时的计算方法. 6.高温气体内, 使用遮热板的热电偶测温精度分析. 能量平衡定律在此类问题中的应用. 7.表面辐射热阻和空间辐射热阻的定义及表达式. 8.重辐射面的概念. 9.采用网络法求解三表面封闭系统辐射换热的计算方法.,10.辐射换热的强化和削弱方法. 11.气体辐射有什么特点? 12.什么是温室效应? 从传热学的角度做出评述. 举出一些 实际例子.,作业： 8-2，8-6，8-8，8-12，8-19，8-21，8-24， 8-31，8-36，8-42，8-44，8-56，8-60，8-62， 8-64，,