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黑体表面间的辐射换热

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前言

影响辐射换热的因素:物体表面的温度,表面形状及尺寸,表面间相对位置,表面的辐射及吸收特性。

分析中的假定:物体表面⑴为恒温表面;⑵为漫-灰表面;⑶之间气体为透明体。

任何换热均有阻力,辐射换热也不例外,但其热阻形式与导热和对流换热有所不同,它包括仅与表面间几何因素有关的空间热阻和仅与表面辐射及吸收特性有关的表面热阻两大类。因此,辐射换热计算中最有效、应用最普遍的方法是封闭空腔网络法。

这里将分析黑体表面间的辐射换热并引出空间热阻,并讨论如何应用封闭空腔网络法进行黑体表面间辐射换热的分析计算。

重点内容:

辐射空间热阻及黑体表面间的辐射传热计算分析方法。

 

一、两黑体表面间的辐射换热

现讨论如图所示任意两个黑体表面间的辐射换热现象。

1、能量平衡分析

dA1投射到dA2的能量dΦ1-2

dA2投射到dA1的能量dΦ2-1

其中

2、换热分析

dA1和dA2间的辐射换热量dΦdA1,dA2

两表面间的总辐射换热量Φ1,2

二、角系数及空间热阻

1、角系数X1,2

定义:表面1向半球空间辐射的能量投落到表面2上的百分数。是无量纲量。

显然,该式称为角系数的互换性。

由定义式可以看出:角系数是只与几何因素相关的量。

2、空间热阻

根据角系数定义,两黑体表面间的总辐射换热量:

I=U/R相比较,有:

其中: 即称为空间热阻,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表面而造成的辐射换热的阻力。

两黑体表面间辐射换热的热阻网络如图所示。

 

三、多个黑体表面间的辐射换热

如图所示为n个黑体表面组成了封闭空腔。

1、封闭空腔某一黑体表面的净换热量:

2、角系数的完整性:

注意:对于平面或凸表面等于0,对于凹面不等于0。

 

四、封闭空腔网络法

1、封闭空腔网络法

首先所有表面必须形成封闭空腔。

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闭空腔时辐射换热热阻网络图。

      

⑴每个表面是一个结点,其热势为Eb(对于漫-灰表面为有效辐射J)。

⑵每两个表面间连接一个相应的空间热阻。

⑶每个表面与接地间连接一个表面热阻。

⑷若某角系数为0,即空间热阻→∞,则相应两个表面间可以断开,不连接空间热阻。

⑸若某表面绝热,则其为浮动热势,不与接地相连。

再根据辐射换热热阻网络图进行辐射换热计算。

2、黑体表面辐射换热的计算

⑴两黑体表面:

⑵三个黑体表面:

3、绝热表面

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面。它在工程上很有实用价值,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。

参见图,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1的热流必定等于流向低温表面2的热流。而重辐射表面3的“电位”是“浮动”的,它的数值取决于左右两个空间热阻的相对大小。

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响。它为1、2两个表面之间的辐射热交换提供了另一条并联途径。虽然从表面看流进、流出重辐射节点的热流恰好相等,像“反射”一样,但是从物理概念上不能把重辐射表面视为ρ=1的纯反射面。

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。

 

五、基本要求及例题

从基本概念方面主要是深刻理解空间热阻的概念和性质、黑体辐射换热规律,从定量计算方面主要是利用封闭空腔网络法计算黑体间辐射换热量。

例题:有一半球形容器r=1m,底部的圆形面积上有温度为200℃的辐射表面和温度为40℃的吸热表面2,它们各占圆形面积之半。1、2表面均系黑表面,容器壁面3是绝热表面。试计算表面1、2之间的辐射换热和容器壁3的温度。

         

解:本题系由三个表面组成的封闭腔,可利用封闭空腔网络法计算。

根据绘制辐射换热热阻网络的原则,得辐射换热热阻网络图。

角系数:

由于,表面1、2之间没有直接辐射换热,仅是依靠绝热表面3间接地进行辐射换热,其换热量为:

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3的温度

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