传输原理教案(第10章)传热.ppt

1,本章概括：1.热辐射是物体因本身的温度，以电磁波的形式向外界发射能量的现象，是热量传递的三种基本方式之一。2.研究热辐射的意义：在现代科学技术的许多传热过程中，辐射换热起着重要的，甚至是主导的作用，需要进行准确的辐射换热计算。3.本章主要内容：（1）辐射概念；基本定律；（2）黑体；实际物体辐射换热计算方法；（3）气体辐射特点。,第十章 辐射换热（p218）,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热,2,1.热辐射的本质（1）辐射物体中分子（原子）受激发而以电磁波的形式释放能量的现象，称为辐射。电磁波携带的能量称为辐射能。（2）任何物体都随时向周围空间发射电磁波，因热的原因，以电磁波方式释放能量，即热辐射。（3）只要物体温度高于绝对零度，就会产生热辐射。以热辐射的方式进行物体间的热量传递，称为辐射换热。（4）辐射换热中伴随能量转换：物质受热激发起原子的复杂运动，进而向外以电磁波的形式发射并传播的能量。接受这种电磁波的物体又将吸收的辐射能转变成热能。,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.1 热辐射的基本概念,10.1 热辐射的基本概念,3,2.辐射换热与导热、对流换热有本质的区别：（1）热辐射所发射的辐射能取决于物体的温度，温度越高，辐射越强。（2）热辐射不依赖于物质的媒介作用，是一种非接触的传热方式，因此热辐射是真空中唯一的传递热量的方式。,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.1 热辐射的基本概念,4,2000K以下，热辐射波长一般位于0.38100 m，其中大部分位于0.7620 m,热射线：能被物体吸收而转变成热能的辐射线称作热射线。热射线包括紫外线，可见光和红外线三个波段。可见光:0.4 0.78 m（m微米，10-6米）紫外线:10-2 0.4 m红外线:0.8 50 m,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.1 热辐射的基本概念,3.电磁波谱（波长）,5,3 吸收率，反射率，穿透率,设辐射到物体表面的总能量 Q，,其中：物体吸收Q,反射Q,穿透Q，则有：,Q=Q+Q+Q 即：,令,则+=1,(吸收率),(反射率),(穿透率),第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.1 热辐射的基本概念,6,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.1 热辐射的基本概念,（1）固体、液体在其表面下1m（微米）1mm之间可以将辐射能吸收完毕，并且转化为热能。（2）实际材料的厚度一般 远大于此，可以认为固液体不能透过热辐射，热辐射全部被吸收或者反射，穿透率=0，即+=1（3）对固体和液体的辐射、吸收、反射特性的影响因素：物体表面材料的性质、表面状态、覆盖层厚度、温度等。（4）辐射能的反射情况决定于热辐射波长与表面不平整尺寸的相对大小。时，属于镜面反射。（5）气体的辐射和吸收在整个容器中进行，气体对辐射能几乎没有反射能力（吸收一部分，穿透一部分）。,注意几点：,7,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.2 黑体辐射,10.2 黑体辐射,1.黑体吸收率1 的物体叫 绝对黑体，简称黑体。反射率1 的物体叫 镜体。（漫反射，绝对白体）穿透率1 的物体叫 绝对透明体，简称为“透明体”。黑体是理想态，自然界中没有天然黑体，人工可制造接近于黑体的模型。,2.辐射力(E)（又叫“辐射照度”）单位时间内，单位表面积向表面半球空间所有方向发射的全部波长的总辐射能。（量刚：W/m2）,3.黑度（发射率）令黑体辐射力Eb，实际物体辐射力E Eb 称物体的黑度（发射率）。0 1,8,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.3 辐射基本定律,10.3 辐射基本定律,一、普朗克定律（Plangck,1900）,普郎克定律表明：黑体辐射能按照波长的分布规律。或者说黑体单色辐射力Eb随波长和温度而变化的函数。,C1 3.74310-6C2 1.438710-2,（10-8）,观察上图：每条曲线下的面积表示某个温度下黑体的辐射力。辐射力 Eb 随黑体温度的升高而增大。,某温度下：,黑体辐射能与波长、温度的关系依据10-8式绘制而成。,9,利用Wien位移定律，测得黑体表面最大的单色辐射力波长m时，就可以由之估算出表面温度。,二、维恩（Wien）位移定律（1963年维恩根据普郎克定律10-8式取极值得到）,黑体辐射中,能量最大的波长m与绝对温度成反比。,例：太阳辐射m0.5m，T2.910-3/0.510-65800K(太阳表面温度),第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.3 辐射基本定律,10,C0黑体辐射系数,应用：利用 Stefan-Boltzman定律，只要知道黑体表面的温度，即可求出黑体在该温度下的辐射力。,(10-8)带入（10-9）得到：,积分上式得 斯特藩玻尔兹曼定律（10-11）：,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.3 辐射基本定律,三、斯特藩（Stefan）-玻尔兹曼（Boltzman）定律,b斯蒂芬-玻尔兹曼常数（黑体辐射常数）,11,四、基尔霍夫(Kirchhoff)定律,实际物体1（非黑体）包在黑体大空腔内，二者处于热平衡。对于非黑体物1，黑体投来的辐射为Eb，非黑体吸收率为，非黑体吸收了Eb，非黑体辐射出E1。两者达到平衡。,由1的任意性，得：,基尔霍夫(Kirchhoff)定律的结论：体系处于热平衡时，任何物体的辐射力E 和 吸收率 的 比值，恒等于同温度下黑体的辐射力。与物性无关，而仅仅取决于温度。,（10-13）（基尔霍夫定律表达式）,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.3 辐射基本定律,12,基尔霍夫(Kirchhoff)定律的推论：物体的发射力和吸收率成正比。吸收力越大则辐射力也越大。（反之亦然）相同温度下，黑体辐射力最强。,又因,所以吸收率 黑度,热平衡时，物体对黑体辐射的吸收率等于同温度下该物体的黑度。,（10-13 基尔霍夫定律）,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.3 辐射基本定律,13,五、兰贝特(Lambert)定律-黑体辐射能在空间的分布,（1）定向辐射强度 Ip（辐射强度）在单位时间、单位可见面积、单位立体角内，辐射的能量叫做定向辐射强度。,Qp 为任意p方向（与法线夹角）上辐射的热流率。,是立体角（球面上表面积与球半径平方之比）。,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.3 辐射基本定律,14,（1）可以证明，IpIm=In=I（黑体定向辐射强度）（10-16）即：黑体定向辐射强度在半球的各个方向上相等。,（10-15）,（10-17 余弦定律）,黑体面积发生的辐射能，落到空间不同方向单位立体角中的能量值，与该方向同表面法线之间的夹角的余弦成正比。（余弦定律）,（2）,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.3 辐射基本定律,15,证明：辐射物体遵守兰贝特定律时，辐射力是任何方向上定向辐射强度的倍。（）底面上微元辐射面dF，在球面上任意辐射方向p，取面积微元dFs，则与发射方向p垂直的辐射面面积为dFcos。立体角d。单位时间dF在p方向辐射能为dQp。所以：,图示：半球的半径为r0,此半球覆盖在辐射微元面dF所在的平面上。,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.3 辐射基本定律,16,单位时间，dF对半球表面所有方向的总辐射能为：,另一方面，QEdF所以，E=I。,得出（3）E=I，符合兰贝特定律的黑体表面，辐射力 是任意方向上定向辐射强 度的 倍。,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.3 辐射基本定律,17,10.4.1.实际物体的辐射特性,(1).实际物体的辐射与绝对黑体不同。(2).黑体的单色辐射力Eb随波长连续光滑地变化。而实际物体的单色辐射力E随波长和温度发生不规则变化。实际E 黑体Eb(3).灰体单色辐射力与同温度、同波长下的黑体单色辐射力之比为定值（灰体单色黑度）。,（灰体）：,实际物体的辐射力计算公式（10-20）,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.4 实际物体的辐射与吸收,10.4 实际物体的辐射与吸收,0是黑体辐射常数，,18,实际物体只是近似符合兰贝特定律，黑度也随辐射方向改变(各方向上定向辐射强度不相等)。,同温黑体定向辐射强度,实际物体的黑度与物质种类、表面温度、表面状况有关。见P.224 叙述及表（10-1）,定义定向黑度为：,物体的定向黑度()=物体在该方向上的定向辐射强度(I)/同温度下黑体在该方向上的定向辐射黑度(I b)。,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.4 实际物体的辐射与吸收,19,10.4.2.实际物体的吸收特性 p225,实际物体的吸收率和发射率 一样取决于辐射方向、波长、物质种类、表面温度及表面状况等。定义单色吸收率 对某一特定波长辐射能的吸收率。P.225（看）图10-9是一些材料单色吸收率与波长的关系。,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.4 实际物体的辐射与吸收,20,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.4 实际物体的辐射与吸收,10.4.3 灰体 p226,灰体：某种物体的辐射光谱是连续的，并且在任何温度下所有各波长射线的辐射强度与同温度黑体的相应波长射线的辐射强度之比等于常数，那么这种物体就叫做理想灰体，或简称灰体。实际物体在某温度下的辐射强度与波长的关系是不规则的，因此不是灰体。但在工程计算上为了方便起见，近似把它们都看作是灰体。灰体的单色吸收率 const1(10-22),21,1.两黑体表面任意放置,条件：表面间介质绝对透明。,每个表面发射出的能量都只有一部分可以到达另一个表面，其余部分落到空间去了。,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.5 黑体间的辐射换热,10.5 黑体间的辐射换热,22,F1向半球空间辐射总能：,其中落在F2上：,定义,角系数（1对2）,则：,所以 dQ12 可以写成：,同理有：,根据（10-15）dF1 投射到dF2的dQ12为：,根据立体角定义：,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.4 黑体间的辐射换热,23,角系数:,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.4 黑体间的辐射换热,24,角系数的相对性,黑体1，2之间净辐射换热热量：,(10-27),辐射势差,空间热阻,Eb1,Eb2,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.4 黑体间的辐射换热,25,角系数是计算两板间净辐射换热的一个重要概念。确定角系数的方法有很多，如几何法、积分法、代数法等。这里用来确定角系数的方法是代数法。,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.4 黑体间的辐射换热,26,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.6 灰体间辐射换热,10.6 灰体间辐射换热 p230,(1)辐射到灰体表面的辐射能 不能被全部吸收。有部分辐射能被反射出去。(2)灰体的吸收和辐射能力不如黑体。灰体表面间辐射换热是多次吸收和反射的过程。辐射换热过程比黑体系统复杂。,27,(1)投入辐射:单位时间内,投射到灰体表面上单位面积的总辐射能称为对该面的投入辐射 G(W/m2)。,(2)吸收辐射:投入辐射G中，被吸收的部分称吸收辐射 G(W/m2)。(3)反射辐射:投入辐射G中，被反射回去的部分称反射辐射 G(W/m2)。(4)有效辐射:表面上单位面积上离开的总辐射能称有效辐射 J(W/m2)。,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.6 灰体间辐射换热,10.6.1 有效辐射和投入辐射,28,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.6 灰体间辐射换热,投入辐射和有效辐射,29,有效辐射 J 当中包含,本身辐射出的能量 EEb,反射出的能量 G,J E G Eb G,对于不透明表面，穿透率 0时，有：吸收反射1,所以J Eb(1)G,因为灰体表面离开的总能为J，得到的总能为G，所以,辐射换热净量Q(JG)F（W）,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.6 灰体间辐射换热,30,P231:热平衡时,吸收率发射率（黑度）,有效辐射势,表面热阻,Eb,J,Q,（10-31）,辐射换热净量,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.6 灰体间辐射换热,31,10.8 气体辐射 p238,1.气体辐射与吸收特性,与分子结构有关;对波长有选择性;反射率为零;在整个容积中进行。,气体的辐射与吸收与气体的形状和容积有关。,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.8 气体辐射,32,气体吸收定律贝尔定律：,积分,x0 处入射单色辐射强度,入射辐射通过厚度为 x 的气体层后的辐射强度,K 单色辐射减弱系数L 气体总厚度,厚度为L的气体层的单色穿透率,厚度为L的气体层的单色吸收率,热平衡：,所以，L很大时，,为黑体,第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.8 气体辐射,33,显然，气体对指定界面某点的辐射力与气体厚度（或射线行程长度）L有关。L 取决于气体容器的形状、大小。任意几何形状的气体对整个容器表面（包壁）辐射的平均射线行程为：,气体发射率(黑度),第二篇 热量传输 第10章 辐射换热 10.8 气体辐射,